여러 가지 원자 모형과 분자 모형
화합물들이 나타내는 성질로부터 원자의 성질을 예측할 수 있습니다. 돌턴은 원자를 공모양이라고 생각했습니다. 그 후 많은 과학자들은 자신의 실험 결과를 통해 더욱 자세한 원자 모양을 제시하였습니다. 지금은 원자의 표면을 직접 사진으로 찍을 수도 있습니다.
보어의 원자 모형은 수소 원자의 선 스펙트럼을 잘 설명할 수 있었습니다. 그런데 수소말고 전자를 2개 이상 가지고 있는 원자에 대해서는 적용할 수 없었습니다. 현대에 와서 과학자들은 전자가 에너지를 받아 튀어나갈 때에는 입자처럼 행동하지만 원자핵 주위에서 운동하고 있을 때에는 그 위치를 정확하게 알 수 없다고 생각하였습니다. 따라서 전자가 입자와 파동의 두 가지 성질을 동시에 지니고 있다고 생각하게 되었습니다. 전자가 파동의 성질을 가지고 있다는 것은 핵 주위를 돌고 있는 전자의 위치를 확률적으로만 알 수 있을 뿐이라는 것입니다. 그래서 과학자들은 원자핵 주위에서 운동하는 전자의 모습을 구름처럼 나타냈습니다. 이러한 전자 구름 모형에서는 구름의 밀도가 높게 나타나는 곳이 바로 전자가 발견될 확률이 높은 곳입니다. 과학 기술의 발달로 이제는 주사 터널링 현미경을 통해 직접 원자를 볼 수 있는데, 그 모습이 구름 모양입니다. 결국 현대의 전자 구름 모형이 실제와 가장 가깝다고 볼 수 있습니다. 그러나 화학 반응이나 분자 모형을 나타낼 때 원자를 일일이 전자 구름 모형으로 나타내면 그리기도 어렵고 이해하기도 매우 어렵습니다. 따라서 쓰임새에 따라 적절한 원자 모형을 사용합니다. 예를 들어, 원자가 서로 자리바꿈하여 새로운 화합물이 되는 화학 반응식을 나타낼 때는 돌턴의 원자 모형처럼 공 모양으로 나타나는 것이 좋습니다. 원자 안의 전자가 궤도를 옮겼다가 다시 되돌아오면서 빛이 발생하는 인광 현상을 설명할 때는 전자의 궤도가 잘 나타나는 보어의 원자 모형이 편리합니다. 원자 안에 전자가 존재하는 영역은 전자의 개수에 따라 달라지는데, 이 영역의 방향을 표시하여 그 원자의 특성을 알고 싶을 때는 오비탈 모형을 사용합니다. 오비탈이란 전자가 원자핵 주위의 어떤 공간을 차지하는가를 확률적으로 보여 주는 수식입니다. 이 수식에 따라 그래프를 그려 보면 전자가 공 모양 또는 아령 모양과 같이 특정한 모양과 방향을 가지고 퍼져 있음을 알 수 있습니다.
학교에서 배운 것과 실제로 생활하면서 믿게 되는 것과는 차이가 있습니다. 모든 물질이 원자로 이루어져 있다고해서 김치찌개 속의 돼지고기가 원자로 되어 있다고 믿는다면 입맛이 뚝 떨어질 것입니다. 그러나 이것은 과학적으로 보았을 때 분명한 사실입니다. '물질은 원자로 이루어져 있다.'는 사실은 변하지 않는 진리이며, 이 사실 하나만으로 우리는 이 세상에서 일어나는 많은 변화들을 이해하고 설명할 수 있습니다. 원자는 물질을 이루는 가장 기본적인 입자로 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 그런데 자연 상태에서 많은 물질들은 원자로 존재하기보다는 원자 몇 개가 모여서 분자를 이루고 있습니다. 자연계에서는 원자 상태로 있는 것보다 분자 상태로 있는 것이 더 안정적이기 때문입니다. 분자는 물질의 화학적 성질을 가지고 있는 가장 작은 입자로, 더 작은 입자은 원자로 쪼개질 수 있습니다. 예를 들어 암모니아 분자는 질소 원자 1개와 수소 원자 3개가 모여 이루어지는데 이를 쪼개면 수소 원자와 질소 원자가 남습니다. 분자는 물과 이산화탄소처럼 2~3개의 원자가 결합된 간단한 것도 있지만, 단백질이나 헤모글로빈, 플라스틱처럼 수많은 원자가 복잡하게 결합되어 있는것도 있습니다. 어느 물질에 포함되어 있든지 그 분자의 성격은 분자를 이루고 있는 원자의 종류와 개수, 그리고 결합상태에 따라 달라집니다. 예를 들면, 스웨터를 이루는 섬유 분자는 길쭉한 모양을 갖습니다. 스웨터의 겉모양만 보아서는 분자의 모양까지 예측하기 쉽지 않지만 섬유 분자의 경우는 대체로 길쭉한 모양을 이루고 있습니다. 이러한 분자의 모양은 물질의 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 그런데 철처럼 금속인 경우 쉽게 부스러지지 않아서 원자가 아닌 다른 무엇으로 이루어져 있는 것이 아닌가라고 생각하기 쉽습니다. 그러나 잘 부스러지지 않는다고 해서 원자로 이루어져 있지 않다고 볼 수 없습니다. 왜냐하면 쇠도 줄칼로 갈면 쇳가루가 떨어져 나오고 그라인더에 금속을 갈 때 불꽃이 튀기는 것으로 보아 금속도 입자로 구성되어 있다는 것을 알 수 있습니다.