원자와 원소의 정체는 무엇인지 그리고 원자와 원소의 생김새에 대해 설명하려고 한다. 기초 화학의 기본이기 때문에 너무 기초적인 것이라도 그 정의를 정확히 알고 넘어가야 한다.
원자와 원소의 정체가 밝혀지다.
유기물 중에 연금술 시대의 흔적이 이름에 남아 있는 대표적 물질이 바로 알코올이다. 접두어인 '알'로 시작하는 이름들은 대부분 아랍 연금 술의 손길을 거친 셈이다. 이제 원자와 원소의 의미를 사전적 의미가 아니 라 알코올의 대표적 물질인 에탄올을 예로 들어 알아보자. 에탄올의 화학식은 CH, OH이다. 탄소 2개와 1개의 산소, 그리고 6개의 수소로 이뤄진 물질이다. 질문을 해보자. 에탄올에서 원자는 몇 개이고 원소는 몇 개 일까? 답을 먼저 말한다면, 원자는 9개이고 원소는 3개이다. 간단한 질문과 답으로 원자와 원소가 어떻게 다른지 직관적으로 구별할 수 있을 것이다. 우리는 원자를 대상으로 쉽게 이야기하고 있지만, 사실 원자를 가시적으로 형상화한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 원자는 너무 작고 우리가 사는 세계와는 다른 거동을 보이기 때문이다. 이 문장의 마지막에 찍힌 마침표 하나의 잉크에도 약 7조 5,000억 개의 탄소와 수소 원자가 있다고 하면 믿겠는가. 원자가 정확히 구형이라고 볼 수 없지만 대략적인 지름은 10억 분의 1미터 크기다. 19세기 이후 등장한 물리학자들 덕분에 우리는 원자를 가늠할 수 있는 크기로 생각한다. 물리학자들이 원자의 정체를 밝혀내면서 원자에 핵이 있다는 것은 물론 핵 안의 양성자마저 쪼개어 더 작은 입자가 있음을 세상에 알렸다. 그리고 모든 입자들 간의 힘, 생성과 거동을 체계적으로 설명하며 그 정체를 밝혔다. 원자에 대한 과학적 체계를 다룬 학문이 양자역학이다. 사람들은 원자의 정체를 알았으니 화학자들이 물 분자 하나 정도는 쉽게 만들 수 있을 것이라고 오해한다. 산소 원자 하나와 수소 원자 2개로 물 분자를 만드는 것이 아니냐고 한다. 하지만 우리는 절대로 이 런 방법으로 물을 만들지 못한다. 물은 수소 분자"와 산소 분자 기체를 실험관에 가두고 전기에너지를 주어 두 기체 분자를 충돌시켜 만든다. 게 다가 모든 반응물을 생성물로 만들지도 못한다. 한편 실험 중에 생성물이 에너지를 얻어 다시 원래의 기체 분자로 분해될 수도 있다. 쉽게 말해 원자를 개별적으로 통제할 수가 없다. 그렇다면 원자 단위로 기술된 화학반응 식은 무엇이냐고 되물을 수 있다. 그 식을 보면 마치 반응물과 생성물인 개 별적 원자들을 자유자재로 다뤄 만들 수 있는 것처럼 보인다. 그러나 반응 식은 물리학이나 수학에서 다루는 방정식이 아니다. 그래서 방정식은 양변의 평등이라는 의미를 담는 데 비해 화학반응식에서는 평형이라는 용어를 사용한다. 반응과 역반응은 계속 일어나지만 어느 순간 반응 이 없는 고요한 상태, 즉 평형처럼 보이기 때문이다. 반응식은 자연현상으 로 일어나는 원자 단위의 반응을 공식화한 것일 뿐, 결과적으로 화학이 현 실 세계에서 원자 하나하나를 다룰 일은 절대 없다. 화학자들은 원자들의 집단을 다룬다.
원자는 어떻게 생겼을까?
원자의 모습을 인식하는 것은 원소의 성질을 아는 것만큼 중요하다. 원자가 어떤 존재인지 물리학의 도움을 받아 알아보 자. 다만 여기서는 화학을 이해하기 위한 목적에서 원자에 대해 알아야 할 몇 가지만 언급할 것이다. 원자는 양성자와 중성자, 그리고 전자의 뭉치가 다. 원자의 중심부에 핵이 있고 주변에 원소별로 1개 이상의 전자가 있다. 물론 전자가 없는 원자도 있다. 수 소 원자는 전자가 1개인데 전자를 잘 간수하지 못하고 수소 양 성자로만 존재하기도 한다. 하 지만 대부분 원자는 핵과 전자로 구성돼 있다. 원자의 크기가 작기 때문에 제대로 측정하지 못하던 시절에는 무게로 원자의 질량 가능했다. 그렇다고 1개의 원자를 직접 깬 것이 아니다. 일정 개수의 원자 가 모인 덩어리 질량을 측정하고 그 수로 나누어 계산했다. 지금은 꽤 정확하게 입자의 질량을 알게 됐는데, 측정 정밀도가 높아졌을 뿐 계산 방법은 과거의 그것과 별반 다르지 않다. 바둑판 모양의 주기율표에는 원소별 원자 의 질량이 표시돼 있다.
중성자 Neutron 양성자 Proton 탄소원자모형 (전자 Electron 전자 1개의 질량은 10킬로그램 정도다. 이 정도 질량은 질량이라고 말하기 무색할 정도로 0에 가까운 값이다. 전자는 전기적 성질인 전하를 띠 고 음전하를 가진다. 인류가 알고 있는 건 이 정도다. 우리는 전자의 크기를 정확히 모른다. 사실 크기가 있는지도 모른다. 그럼에도 우리는 전자의 질 량을 어떻게 알았을까? 물리학에서는 질량을 에너지로 변환할 수 있다. 유 명한 질량-에너지 등가 법칙인 E=mc을 알고 있지 않은가. 전자의 존재를 에너지라는 창을 통해 보는 것이다. 원자의 핵에는 전자보다 약간 크다고 알려져 있는 양성자가 있다. 전자의 질량보다 2,000배 정도 무겁다. 양성자 는 전자와 같은 크기의 전하량을 가졌고 양전하를 띠고 있다. 그리고 핵 안 에는 중성자라는 입자가 더 있는데 크기와 질량이 양성자와 같다. 중성자는 전하가 없다. 양성자 수와 거의 같은 수의 중성자가 존재해도 전기적 영향을 끼치지 않는다.