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[042] 원소 원자 분자 혼합물 화합물
물과 소금은 화합물, 우유 커피는 혼합물
경기도민뉴스 기사입력  2018/10/15 [06:57]

[김영수 잡학여행] = 이 세상을 이루는 기본물질에 대해 고대 그리스 철학자들은 저마다 만물의 근본은 물(水 탈레스), 수(數 피타코라스) 등을 각각 주장했다. 현대 과학은 쿼크, 미자 등 표준모형으로 세상만물의 근본물질을 설명한다.

▲ 원소주기율표의 일부분. 그래픽=김영수.     © 경기도민뉴스

정작 초중등학생들은 과학시간에 원소, 원자, 분자, 화합물, 혼합물 등에 대해 배우면서 어려움을 호소한다. 용어(用語)의 정확한 의미와 활용 등을 소개한다.
 
 
1) 원소(chemical, 元素)
먼저 원소(chemical, 元素)는 철, 산소, 금과 같이 동일한 원자로 이루어진 물질이다. 원소는 동일한 하나의 원자로만 구성된 물질이므로 100% 순금덩어리(실제로 100%는 없다)라면 크기가 아무리 커도 금 원소(그러나 금 원자라고는 할 수 없다)라고 말할 수 있다.
모든 물질은 하나 또는 하나 이상의 원소로 이뤄져있는데, 모래와 물처럼 단순히 섞여있을 수(혼합물)도 있고, 물(H2O)처럼 산소와 수소가 단단하게 결합(화합물)해 있을 수도 있다.
따라서 물은 동일한 하나의 원자로 구성된 물질이 아니므로 원소가 아니다. 수소 2개와 산소 1개가 결합한 물질이므로 물질의 최소단위라 할 수 있는 원자도 아니다. 따라서 물과 같은 화합물의 최소단위는 분자가 된다.
원소와 원자는 비슷한 개념으로 생각할 수도 있는데, 중등수준에서는 원소는 ‘물질 그 자체’를 강조한 표현으로, 원자는 ‘기능면’을 강조한 표현으로 생각해도 무방하다.
 
 
2) 원자(atom, 原子)
원자라는 용어는 ‘더 이상 쪼갤 수 없다’는 그리스어 아토모스(atomos)에서 유래했다. 앞서 설명했듯 원소의 종류와 원자의 종류는 같다고 생각해도 무방하다.(일단 동위원소는 생각하지 말자)
그런데 원자는 ‘핵’과 ‘전자’로 이뤄져 있다. 핵(核)이 좀 복잡한데, 핵 안에는 양성자가 기본으로 들어있다. 양성자라는 용어는 전기적으로 (+)를 띈다는 것이다. 이에 상응하는 것이 원자 안에서 활동하지만, 핵과는 ‘친한 듯 친하지 않은 듯’ 알쏭달쏭한 전자가 전기적으로 (-)이다.
(+), (-)가 있으면 완벽할 것 같지만, 요상한 것이 핵안에 숨어있는데, 바로 중성자다. 용어 그대로 전기적으로 (+), (-)도 아니다. 통상, 양성자(+)가 하나면, 중성자와 전자(-)도 하나다(아닌 경우도 있다. 통상이라는 표현은 문과적 표현이다).
 
 
3) 전자(electron, 電子)
원자의 구성원은 기본적으로 ‘핵’과 ‘전자’라고 밝혔다. 핵은 당연히 깨어지지 않는다고 생각했지만 나중에야 자연붕괴 등으로 그렇지 않다는 것이 이미 입증됐다. 인공적으로 핵을 깨서 그 반응을 무기로 이용한 것이 통상적으로 부르는 핵무기다.
전자는 원자의 구성원으로 일반적으로는 핵의 인력에 붙잡혀 있지만, 정전기(머리를 빗으로 빗으면 머리카락이 빗에 붙는 현상이 바로 원래의 원자 안에 있던 전자가 마찰로 인해 벗어난 것이다)만으로 이탈하기도 한다.
원자의 크기를 굳이 비유하자면, 볼펜으로 눈에 보이는 점을 하나 찍자. 800미터~1200미터 밖에서 눈에 보이지도 않는 입자가 광속 수준으로 움직이는 것이 전자라고 생각하면 될 것이다.
수소는 핵안에 양성자가 하나가 있으므로 외곽을 도는 전자도 하나다. 산소는 핵안에 8개의 양성자를 지니고 있어 원자번호 8번이면서, 외곽에 8개의 전자가 있다. 이보다 원자번호가 큰 원소(우라늄, 원자번호 92)는 더 많은 양성자를 가지고 있고, 이에 상응하는 수십개의 전자가 겹겹이 궤도를 움직인다고 생각하자.
 
 
4) 혼합물(mixture, 混合物)
두 가지 이상의 순물질(원소)이 섞여 있는 것으로 설탕물, 공기, 우유 등을 들 수 있다. 비가 오면 쓸려 내려오는 흙탕물은 대표적인 천연 혼합물이다. 다만 흙탕물 중의 물은 혼합물이 아닌 화합물이다.
커피도 혼합물(항상 밝히지만 100%는 아니다)이다. 그래서 거름종이로 거를 수 있다. 이 거름종이의 그물망을 나노 단위로 촘촘히 만들고, 전기 에너지 등으로 가속내지는 활성화시키면 바로 역 삼투압 등의 희귀한 현상이 나타난다.
소금은 화합물이어서 일반적인 방식으로는 분리할 수 없다. 그러나 소금물(소금+물)은 혼합물이므로, 물만 증발시켜 소금을 얻을 수 있다.
 
▲ 산소1개에 수소2개가 공유결합한 물 분자 모형. 그래픽=김영수.     © 경기도민뉴스
 
5) 화합물(chemical compound, 化合物)
두 종류 이상의 원소가 결합해 만들어진 물질을 화합물이라고 한다. 물은 대표적인 화합물이다. 화합물은 일반적인 방식으로는 분리할 수 없다. 물은 전기반응을 통해 산소와 수소로 분리할 수 있다.
소금도 나트륨(Na)과 염소(Cl)가 결합한 화합물이다. 소금의 나트륨(Na)과 염소(Cl)를 분리하기 위해서는 특별한 화학방식이 필요하다. 일반적인 방식으로 나트륨(Na)과 염소(Cl)를 분리할 수 없다.
단 하나의 원소로만 이뤄진 수소기체(H2) 산소기체(O2)등은 화합물이 아니고 홑원소 물질이라고 한다.

기사입력: 2018/10/15 [06:57]  최종편집: ⓒ 경기도민뉴스
 
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