원자의 구조
이 세상을 구성하는 물질의 종류는 셀 수 없을 정도로 많습니다. 그리고 이 모든 물질은 원자라고 하는 작은 입자로 이루어져 있습니다. 그런데 실제로 물질을 이루고 있는 원자의 종류는 백여 가지밖에 되지 않습니다. 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과 그 주위를 빠르게 움직이고 있는 전자로 이루어져 있습니다. 즉, 각각의 원자는 양성자, 중성자, 전자의 세 가지 알갱이로 되어 있습니다. 이 중 원자의 특성을 가장 잘 나타내는 것이 양성자의 수입니다. 원자마다 양성자의 수가 다르기 때문에 각 원자를 구별할 수 있습니다. 그래서 양성자의 수는 원자 번호라고 합니다. 예를 들어 산소 원자나 탄소 원자의 양성자 수는 각각 8개와 6개로 서로 다릅니다. 따라서 원자 번호 또한 다르고, 그에 따라 산소 원자와 탄소 원자가 각각 구별됩니다. 원자가 가진 양성자의 수는 전자의 수와 같습니다. 그런데 같은 원자 번호를 가진 원자 중에 중성자의 수가 다른것이 있습니다. 이를 동위 원소라 하는데, 이것은 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 다른 것입니다.
이온
이온은 원자를 이루는 세 가지 알갱이 중에서 중성자는 전하는 띠지 않지만, 양성자는(+)전하는, 전자는(-)전하를 띠고 있습니다. 그런데 양성자는 원자핵 속에서만 움직이지만, 전자들 중 1~3개 정도는 원자의 안팎을 자유롭게 드나들 수 있습니다. 이런 전자의 활동으로 전자의 개수가 늘거나 줄어들면 전기적으로 중성인 원자가 전기를 띠게 되는데, 이러한 상태를 이온이라고 합니다. 외부로부터 전자를 얻어(-)전하를 띠면 음이온이고, 외부에 전자를 주어 (+)전하를 띠면 양이온입니다.
원소의 분류
오래 전부터 많은 과학자들이 여러 가지 주기율표를 제안했지만 그 중에서 러시아의 화학자 멘델레예프가 만든 주기율표가 가장 체계적이었습니다. 1869년 멘델레예프는 '원소의 성질과 원자량과의 관계'라는 연구 발표를 통해 원소를 원자량의 크기 순서대로 나열하면 성질이 주기적으로 변한다고 주장했습니다. 또한 그는 그 당시까지 발견되었던 63가지의 원소들을 원자량의 크기에 따라 나열하여 주기율표를 만들었습니다. 그러나 이 주기율표에는 몇 군데 원소의 순서가 바뀐 것 같은 곳이 있었는데, 맨델레예프는 그 이유를 알 수 없었습니다. 1913년 영국의 과학자 모즐리는 원소들을 원자량의 순서가 아니라 양성자의 개수인 원자 번호의 순서로 나열할 때 주기율이 분명히 나타난다는 사실을 발견하여 멘델레예프 주기율표의 문제점을 해결했습니다. 현재 사용되고 있는 주기율표는 지금까지 발견된 모든 원소를 원자 번호가 1인 수소부터 크기 순서대로 나열한 것으로, 7개의 주기(가로줄)와 18개의 족(세로줄)으로 구성되어 있습니다. 주기율표에서 1족, 2족, 12~18족의 원소들을 전형 원소라고 부르는데, 전형 원소에서 같은 족끼리는 화학적 성질이 매우 비슷합니다. 3~11족의 원소들은 전이 원소라고 하며, 전이 원소는 주기율표 가운데에 모여 있고, 모두 금속입니다. 전형 원소는 각각의 족이 서로 다른 특징이 있지만, 전이 원소는 전체가 비슷한 성질을 가지고 있습니다.
공유 결합으로 이루어진 물질
비금속 원소들은 서로 음이온이 되려고 하기 때문에 전자를 주고받을 수 없습니다. 대신 이들은 각각 전자를 내놓아 전자 2개로 이루어진 전자쌍을 만든 후 이것을 함께 공유함으로써 원자들로 존재할 때보다 더 안정된 상태로 결합합니다. 이러한 결합 방법을 공유결합이라고 합니다.
공유결합의 대표적인 예가 수소 분자입니다. 수소 원자는 1개의 전자를 가지고 있습니다. 따라서 수소 원자와 수소 원자가 만나면 전자를 주고받을 수 없습니다. 대신 수소원자 두 개가 서로 가까이 접근하면 원자가 가진 각각의 전자가 상대 원자의 핵에 정전기적 인력이 작용하여 이끌립니다. 하지만 수소 원자 두 개가 너무 접근하면 핵 사이에 반발력이 생기기 때문에 원자는 인력과 반발력이 균형을 이루는 곳에서 수소 분자로 결합니다. 이때 수소 원자들은 자신들이 내어 놓은 전자 2개, 즉 전자쌍 1개를 서로 공유하며 안정된 결합을 이루는 것입니다. 두 원자 사이에 1개의 전자쌍을 공유하면 단일 결합, 전자쌍 2개를 공유하면 이중 결합, 전자쌍 3개를 결합하면 삼중 결합이라고 합니다. 공유 결합에서는 전자쌍 한 개를 짧은선(-)으로 표시합니다. 따라서 단일 결합한 수소 분자는 H-H, 이중 결합한 산소 분자는 O=O로 표시합니다. 공유 결합으로 생긴 분자로 이루어진 물질은 분자와 분자사이에 서로 끌어당기는 힘이 작아서 주로 기체 상태이며, 고체나 액체라도 온도를 조금만 올려주면 쉽게 기체로 변하게 됩니다.