[일반화학] 2. 원소, 주기율표, 원자론

[일반화학] 2. 원소, 주기율표, 원자론

그리스의 철학자 데모크리토스(Democritus)는 원소(element)는 더 이상 나눌 수 없는 원자(atom)라고 불리는 작은 입자들로 구성되어 있다고 주장했다. 

원소는 화학적으로 변화시키거나 더 간단한 것으로 분해할 수 없는 근본적인 물질이다. 다음 그림의 수은, 은, 황은 원소이다.

원소의 총 개수는 118개이고 실제 천연에서 존재하는 원소는 약 90여가지이고, 나머지 28개는 인공적으로 만들어졌다. 천연 원소 90개 중 83개만이 지구상에서 의미 있는 양으로 존재한다.

수소는 관측된 우주 질량 중 약 75%를, 산소와 규소는 지각의 질량 중 약 75%를, 산소, 탄소, 수소, 질소는 인체 질량의 95%를 차지한다.(아래 그림 참고)

원소의 기호는 영어나 라틴어, 독일어에서 유래했다. 수소(H-hydrogen), 탄소(C-carbon), 알루미늄(Al-aluminum)은 영어 이름에서 유래했고, 소듐(Na-natrium), 납(Pb-plumbum)은 라틴어 이름에서, 텅스텐(W-wolfram)은 독일 이름에서 유래한 것이다. 다음은 흔한 원소들의 이름과 기호를 나타낸 것이다.

 

모든 118개의 원소의 이름, 기호, 관련정보를 정리한 것을 주기율표(periodic table)라고 한다. 

인류 역사가 시작될 때 안티모니(Sb), 탄소(C), 구리(Cu), 금(Au), 철(Fe), 납(Pb), 수은(Hg), 은(Ag), 황(S), 주석(Sn)의 10가지 원소가 알려져있고, 수천년이 지난 1250년에 비소(As)가 발견되었다. 미국이 건국된 1776년에도 24가지 원소만이 알려져 있었다. 

1829년에 되베라이너가 3조원소(triad)를 발견했다. 3조원소에는 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)이 하나의 3조원소를 형성하고, 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)과 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K)이 각각 다른 3조원소를 형성한다. 1869년에 멘델레예프는 현대적 주기율표의 전신을 만들었다. 주기율표는 화학 반응성에 대해 알려진 사실들을 설명하는데 유용하고 모순이 없는 방법으로 데이터를 정리했을 뿐만 아니라 몇 개의 특이할 만한 예측을 가능하게 했고, 나중에 이러한 예측은 정확한 것으로 밝혀졌다. 

멘델레예프의 주기율표 배열 원칙은 원소들을 상대 질량(원자량) 순으로 배열한 후, 원소들을 그들의 화학 반응성에 따라 그룹화하는 것이였다. 이렇게 원소들을 배열한 결과, 몇 개의 빈칸이 나타났다. 다음의 그림은 현대의 주기율표인데 빈칸이 있음을 확인할 수 있다.

위의 현대 주기율표에서 원소는 주기(period)라고 하는 7개의 수평 행과 족(group)이라고 하는 18개의 수직 열로 된 격자 칸에 배열된다. 이런 방법으로 정리하면 같은 족 원소들은 비슷한 화학적 성질을 가진다. 참고로 1A, 2A, 3B, 3A 등으로 표시하는 표기법은 미국식 표기법이다. 

주기율표의 모든 족이 같은 수의 원소를 가지지 않는다. 왼쪽에 있는 2개(1A, 2A)의 큰 족과 오른쪽에 있는 6개(3A, 4A, 5A, 6A, 7A, 8A)의 큰 족을 주족(main group)이라고 한다. 생명체를 구성하는 탄소, 수소, 질소, 산소, 인은 주족 원소들이다. 주족 사이의 10개의 작은 족은 전이 금속족(transition metal group)이라고 한다. 철, 구리, 아연, 금과 같은 금속은 전이 금속이다. 주기율표 밑에 표시한 14개의 족은 내부 전이 금속족(inner transition metal group)이라고 한다.

물질을 설명하거나 확인하는데 이용되는 모든 특성을 성질(property)이라고 한다. 성질의 예는 부피, 양, 냄새, 색깔 및 온도가 있다. 또한 녹는점, 용해도, 화학적 행동도 성질에 포함된다. 성질은 시료의 양에 따라 달라지는지의 여부에 따라 세기 성질과 크기 성질로 나눌 수 있다. 온도와 녹는점 같은 세기 성질(intensive property)은 시료의 양과 관계가 없는 값을 가진다. 길이와 부피 같은 크기 성질(extensive property)은 시료의 양에 따라서 값이 변한다. 또한 성질은 물질의 화학적 구조에 변화가 있는가에 따라 물리적 성질과 화학적 성질로 나눌 수 있다. 물리적 성질(physical property)은 시료의 화학적 구조 변화를 포함하지 않는 것이 특징이고, 화학적 성질(chemical property)은 화학적 구조 변화를 요구하는 성질이다.

위의 그림에서 붉은 부분이 있는 왼쪽은 1A족 알칼리 금속이고, 오른쪽은 2A족 알칼리 토금속이다. 알칼리 금속인 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)은 무르고 은빛이 나는 금속으로 모두 물과 격하게 반응해 알칼리성(염기성)이 강한 생성물을 만들고, 따라서 알칼리 금속이라고 부른다. 높은 반응성 때문에 천연에서 순수한 상태가 아닌 다른 원소와 결합해 존재한다. 알칼리 토금속인 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra)은 광택이 있는 은빛 금속이지만 1A족보다 반응성이 약하고 알칼리 금속처럼 천연에서 순수한 상태로 존재하지 않는다. 아래의 그림에서 왼쪽은 소듐이 물과 반응하는 모습, 오른쪽은 공기중에서 타는 마그네슘의 모습이다.

위의 그림에서 붉은 부분이 있는 왼쪽은 7A족 할로젠 원소이고 오른쪽은 8A족 비활성 기체이다. 할로젠 원소인 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)은 색이 있고 부식성이 있는 비금속이다. 이들 원소들은 다른 원소와 화합한 상태로만 존재한다. 비활성 기체인 헬륨(H), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn)은 무색의 기체이며, 화학적 반응성이 매우 작다. 아래의 그림에서 왼쪽은 할로젠 원소 중 하나인 브로민이고, 오른쪽은 비활성 기체 중 하나인 네온을 네온등과 네온사인으로 이용한 것이다.

   

위의 그림에서 왼쪽은 금속 원소를, 가운데는 비금속 원소를, 오른쪽은 준금속을 나타낸 것이다. 

금속: 원소 중 가장 많은 부분을 차지하고, 주기윮의 왼쪽에 자리잡고 있으며, 수은을 제외하면 모든 실온에서 고체이고, 대부분 금속과 연관된 은빛 광택을 가지고 있다. 게다가 금속은 일반적으로 부서지지 않고 가공하기 쉬워서 연속된 긴 선으로 뽑거나 감을 수 있고, 열과 전기의 좋은 도체이다.

비금속: 수소를 제외하면 주기율표 오른쪽에 위치하고, 17가지 비금속 중 실온에서 11가지가 기체이고, 1가지는 액체(브로민, Br), 5가지는 고체(탄소(C), 인(P), 황(S), 셀레늄(Se), 아이오딘(I))이다. 은빛 광택이 없고 몇 가지는 진한 색을 띤다. 고체 비금속은 부서지기 쉬워서 가공이 어렵고 열과 전기 전도성이 좋지 않다. 

준금속: 금속과 비금속 사이의 계단 모양 경계선 부근에 있는 9가지 원소 중 7가지(붕소(B), 규소(Si), 저마늄(Ge), 비소(As), 안티모니(Sb), 텔루륨(Te), 아스타틴(At))이다. 대부분의 준금속은 은빛 외관을 갖고 실온에서 고체이나 부서지기 쉽고 가공이 어려우며 열이나 전기를 잘 전도하지 않는다. 다음의 그림에서 왼쪽은 금속 원소, 오른쪽은 비금속 원소(브로민, 탄소, 인, 황)이다.

물질은 원자로 구성되어 있다는 개념은 원자들이 발견되기 전에 과학적인 이론으로 받아들여졌다. 보일은 원소를 더 이상 화학적으로 분해할 수 없는 물질로 정의하고, 다양한 종류의 원소들이 존재할 수 있다고 주장했다. 또한 서로 다른 원소들이 다양한 방법으로 서로 결합해 화합물(chemical compound)이라고 부르는 수 많은 물질이 된다고 보았다. 

프리스틀리는 화학식 \(2\text{HgO}\,\rightarrow\,2\text{Hg}+\text{O}_{2}\)에 따라산화수은(II)(\(\text{HgO}\))을 가열해서 산소 기체를 분리했다.(아래 그림 참고)

화학 변화를 표현하는 표준 방식은 각 화합물들을 화학식(chemical formula)으로 표시하는 것이다. 화학식은 구성 원소의 기호에 아래 첨자를 이용하여 구성 원자의 개수를 나타내고, 아래 첨자가 없으면 숫자 1을 뜻한다. 따라서 염화 소듐(소금)은 \(\text{NaCl}\), 물은 \(\text{H}_{2}\text{O}\), 설탕은 \(\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}\)로 표시된다. 

화학 반응은 화학 반응식(chemical equation)이라는 표준 방식에 의해 작성되고, 왼쪽에 변화를 일으키는 반응 물질들을 적고, 오른쪽에 생성 물질을 적고, 화학 변화 방향을 나타내는 화살표는 가운데에 위치한다.

라부아지에는 화학의 기초가 되는 질량 보존 법칙(law of mass conservation)을 발견했다.

 

질량 보존 법칙: 질량은 화학 반응에서 생성되거나 소멸되지 않는다. 

다음의 그림은 질산 수은 \(\text{Hg}(\text{NO}_{3})_{2}\) 3.25g과 아이오딘화 포타슘(\(\text{KI}\)) 3.32g을 물에 녹이고 그 용액을 섞어서 불용성 주황색 아이오딘화 수은(\(\text{HgI}_{2}\)) 고체가 생성되는 것을 화학 반응식과 함께 나타낸 것이다.

혼합물을 여과하면 아이오딘화 수은 4.55g이 생기고, 물을 증발시키면 질산 포타슘(\(\text{KNO}_{3}\)) 2.02g이 남는다. 그러므로 반응물의 질량 합(3.25g+3.32g=6.57g)은 정확히 생성물의 질량 합(4.55g+2.02g=6.57g)과 같다. 

프랑스 화학자 프루스트는 일정 성분비 법칙(law of definite proportion)이라는 화학의 두 번째 기본 원리를 발견했다. 

일정 성분비 법칙: 화학적으로 순수한 물질로 구성된 시료들은 항상 동일한 질량비의 원소들을 함유한다. 

물의 시료는 수소 대 산소 질량비가 1:8이고, 이산화탄소의 시료는 탄소 대 산소의 질량비가 3:8이다. 

영국의 교사 돌턴은 배수 비례 법칙(law of multiple proportion)을 발견했다. 

배수 비례 법칙: 원소들은 다양한 방법으로 결합해 다른 화합물을 만들고, 서로 다른 화합물에서 원소 간의 질량비는 간단한 정수배를 갖는다. 다음은 질소와 산소의 질량과 질량비를 구한 것이다.

이 결과는 물질이 특정 질량을 가진 불연속적 원자로 구성되고, 서로 특정하고 명확한 방식으로 결합한다고 가정할 때만 설명이 가능하다.(아래 그림 참고)

돌턴은 세 가지 법칙인 질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙을 조합해 물질에 대한 새로운 이론을 아래와 같이 제안했다. 

-원소는 원자(atom)라는 작은 입자로 구성되어 있다.

-각 원소는 원자의 질량으로 특성을 나타낸다. 같은 원소의 원자는 같은 질량을 가지지만 다른 원소의 원자는 같은 다른 질량을 가진다. 

-원자들이 정수비로 결합할 때 원소들의 화학적 조합은 다른 화합물을 만든다.

-화학 반응은 원자들이 화합물 속에서 결합을 다시 배열할 뿐 원자 자체는 변하지 않는다.

돌턴이 제안한 모든 것이 맞지는 않았다(예: 물을 \(\text{H}_{2}\text{O}\)가 아닌 \(\text{HO}\)라는 식을 가진다고 생각했다). 그럼에도 불구하고 원자론은 궁극적으로 인정되었고, 현대 화학의 기초가 되었다. 

참고자료: 

Chemistry 7th edition, McMurry, Fay, Robinson, Pearson

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=3957