원자와 분자2

화학결합

화학식

화합물(chemical compound)은 순수 물질로, 둘 이상의 원소가 화학결합(chemical bond)으로 연결된 것이다. 원자들이 일정 비율로 결합하여 화합물을 형성하는데, 이 물질은 구성 원자와 다르게 거동한다. 이를 분자(molecule)라 한다. 분자가 다시 원자로 분해되면, 분해된 원자는 분자와 더 이상 같지 않다. 원자를 표시하는데 원자기호를 사용하듯이, 분자나 화합물에도 기호적 표현을 적용할 수 있다.

 

화학식을 이용하여 구성 원소로 표현하는데, 화학식에는 분자식과 실험식이 있다. 분자식(molecular formula)은 분자 내 원자 구성을 나타낸다. 폴리에틸렌을 구성하는 에틸렌 단위체의 분자식은 C2H4로, 분자 당 두 개의 탄소 원자와 네 개의 수소 원자가 있음을 보여준다. 실험식(empirical formula)은 각각의 원소에 대한 원자 수 간의 상대적 비를 나타낸다. 탄소에 대한 수소 원자의 비는 1 : 2이다. 따라서 실험식은 CH2이다. 실험식으로는 화합물의 개개 분자에 대해 알 수 없다.

 

다음은 화학식에 대한 규칙이다.

1. 원자기호를 이용하여 원자를 나타낸다.
2. 화학물의 각 원자의 수는 원소기호의 오른쪽 옆 하첨자로 표시한다.
3. 원자 그룹은 괄호를 사용한다. 괄호 밖 하첨자로 괄호 안의 모든 원자가 반복됨을 나타낸다.
4. 수화물(hydrate)이라 불리는 분자 내 물 분자는 화합물과 분리하여 표시한다.

 

화학결합

원자는 화학결합을 통해 결합하며 화합물을 형성하는데, 화학결합으로 물질의 화학적 성질을 이해할 수 있다.

 

화학결합의 특징은 첫째, 모든 결합은 전자를 교환하거나 공유한다. 둘째, 전자의 교환이나 공유를 통해 화학물은 개별 원자일 때보다 상대적으로 낮은 에너지를 갖는다. 그렇지 않으면 화학결합은 일어나지 않는다.

 

화학결합에는 이온, 공유, 금속 결합이 있다. 일부 화합물은 반대로 하전 된 이온의 집합체로 격자(lattice)라 불리는 배열을 갖는데, 이 결합이 이온결합(ionic bond)이다. 어떤 물질이 전자를 잃으면 양이온이 되고, 반대로 전자를 얻으면 음이온이 된다.

 

이온결합: 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의함. 반대 전하를 띠는 이온들이 결합되어 있기 때문에 녹는점과 끓는점이 매우 높음.

 

나트륨 원자에서 염소 원자로 전자가 이동하여 이온쌍(Na+와 Cl-)을 형성한다. 전자가 이동하면 이온 간에 쿨롱인력이 작용한다.

 

금속의 경우, 양전하와 음전하가 교차하는 구조가 아닌, 격자점에 양으로 하전 된 “중심부(core)”가 생겨 나머지 전자들이 좀 더 자유롭게 이동할 수 있는 구조이다. 이것을 금속결합(metallic bond)이라 한다.

 

금속결합: 각각의 금속원자는 하나 이상의 전자를 내놓아 “전자바다(electron sea)” 형성. 전자바다에서는 전자가 자유롭게 움직일 수 있으며, 이 때문에 금속은 전기전도성을 가짐.

 

전자를 상대방 원자에 내주거나(이온결합), 전자가 격자 내를 이동하는 것(금속결합)이 아닌 원자쌍 사이에서 전자가 공유되는 것을 공유결합(covalent bond)이라 한다. 두 개 때로는 넷, 여섯의 전자는 두 핵 사이에서 공유되며 핵을 끌어당긴다. 가장 간단한 공유결합의 예로 물, 이산화탄소가 있다.

 

공유결합: 두 원자 사이에 전자쌍을 공유하면서 형성. 분자 내 공유결합은 매주 강하지만 다른 분자들과의 인력은 약해 녹는점과 끓는점이 낮음.

 

주기율표

주기율표는 원소의 성질에 관한 정보를 요약한 것으로, 원자번호가 증가하는 순서로 원소를 배열하였으며 화학적 성질에 따라 족(group)으로 분류하였다. 원소의 주기율표상 위피로부터 그 성질을 대략 알 수 있다.

 

주기와 족

현대 주기율표에서는 원소를 두 가지 방식으로 배열한다. 가로열은 주기(period), 세로열은 족(group)

 

세로열은 화학적 성질이 비슷한 것끼리 원소를 묶어놓은 것이다. 대부분의 원소는 수소와 결합하여 화합물을 형성한다.

 

화학적 유사성에 따라 족의 이름이 명명되었는데, 가장 왼쪽 족은 알칼리금속(alkali metal)이라 한다. 두 번째 족은 알칼리 토금속(alkaline earth metal), 오른쪽에서 두 번째 족은 할로겐(halogen), 가장 오른쪽 족은 가장 최근에 발견되었으며, 희귀 가스(rare gas) 또는 비활성 기체(noble gas)라 한다.

 

주기율표의 영역별로도 이름이 있는데, 왼쪽 두 족의 원소들과 여섯 개의 족을 대표원소(representative element) 또는 주족원소(main group element)라 한다. 표의 중앙에 위치한 두 줄을 전이금속(transition metal)이라 한다. 철은 전이금속이다.

 

족을 표기할 때 넘버링을 이용하기도 하는데, 왼쪽부터 오른쪽까지 1~18을 붙인다.

 

금속, 비금속, 준금속

원자는 금속(metal), 비금속(nonmetal), 준금속(metalloid)으로 분류된다.

 

원소의 대부분은 금속으로, 주기율표의 왼쪽과 아래쪽에 위치해 있다. 금속은 화학적 물리적 성질에서 여러 면이 유사하다. 물리적으로 금속으로 반짝이고 가단성과 연성이 있다. 또한 전기를 전도하기 때문에 전선으로 이용된다. 금속원소는 화학적으로 대부분의 화합물에서 양이온으로 존재한다. 비금속은 주기율표의 오른쪽 상단에 위치한다. 비금속은 생명체에서 중요한 역할을 하는데, 인체를 이루는 대부분의 분자는 탄소, 수소, 산소, 질소, 황인으로 구성된다. 화학적으로 비금속은 양이온보다는 음이온을 형성하려는 경향이 크다.

 

원소가 금속인지 비금속인지, 위에 언급된 물리적 성질로 파악할 수 있을 것처럼 보이나, 몇몇 원소는 쉽게 구별되지 않는다. 명확한 경계를 긋기 어려운 원소를 준금속이라 부르는데, 주기율표에서 대각선상에 위치한다.