1.원자의 구조
모든 물질은 원자라는 아주 작은 입자로 이루어져 있습니다. 원자의 중심에는 (+)전하를 띤 양성자와 전하가 없는 중성자로 이루어진 원자핵이 있고, 그 주위에 (−)전하를 띤 전자가 있습니다. 원자는 양성자 수와 전자 수가 같아 전체적으로 전기적으로 중성입니다.
원자핵은 원자 전체에 비하면 매우 작아서, 원자의 크기는 원자핵보다 수만 배 이상 큽니다. 그런데도 질량은 거의 원자핵에 모여 있습니다. 양성자 하나의 질량은 전자의 약 1836배이기 때문입니다.
교과서에서 원자를 태양 주위를 도는 행성처럼 그리는 그림은 이해를 돕는 모형입니다. 실제 전자는 정해진 궤도를 도는 작은 공이 아니라, 원자핵 주위의 어디쯤에 있을 확률로만 말할 수 있는 상태로 존재한다는 것이 현대 과학의 설명입니다. 다만 전자를 껍질(전자 껍질)에 나누어 배치하는 모형은 화학 성질을 설명하는 데 여전히 유용합니다.
| 입자 | 위치 | 전하 | 상대적 질량 |
|---|---|---|---|
| 양성자 | 원자핵 | +1 | 약 1 |
| 중성자 | 원자핵 | 0 | 약 1 |
| 전자 | 원자핵 주위 | −1 | 약 1/1836 |
- 원자 번호 6 → 양성자 6개
- 중성 원자이므로 전자도 6개
- 질량수 12 = 양성자 6 + 중성자 □ → 중성자 = 12 − 6 = 6개
2.원소, 화합물, 혼합물
원소는 더 이상 다른 물질로 나눌 수 없는 기본 성분입니다. 수소, 산소, 탄소, 철처럼 같은 종류의 원자로만 이루어져 있습니다. 지금까지 알려진 원소는 118가지이며, 이 가운데 자연에서 발견되는 것은 그 일부이고 나머지는 실험실에서 만들어졌습니다.
화합물은 두 가지 이상의 원소가 일정한 비율로 화학 결합한 물질입니다. 물(H₂O)은 수소와 산소가 2 : 1의 개수 비로 결합해 있고, 소금의 주성분인 염화 나트륨(NaCl)은 나트륨과 염소가 1 : 1로 결합해 있습니다. 화합물은 성분 원소와 전혀 다른 성질을 가집니다. 나트륨은 물과 격렬히 반응하는 금속이고 염소는 독성 기체지만, 둘이 결합한 염화 나트륨은 우리가 먹는 소금입니다.
혼합물은 두 가지 이상의 물질이 화학 결합 없이 섞여 있는 것입니다. 소금물, 공기, 우유, 흙이 그렇습니다. 섞인 비율이 일정하지 않고, 각 성분의 성질이 그대로 남아 있어 증발, 거르기, 증류 같은 물리적 방법으로 분리할 수 있습니다. 바닷물을 증발시키면 소금을 얻는 것이 그 예입니다.
| 구분 | 특징 | 예 |
|---|---|---|
| 원소 | 한 종류의 원자로만 이루어짐 | 산소(O₂), 철(Fe), 다이아몬드(C) |
| 화합물 | 여러 원소가 일정 비율로 결합, 성질이 새로움 | 물(H₂O), 이산화 탄소(CO₂), 염화 나트륨(NaCl) |
| 혼합물 | 결합 없이 섞임, 물리적 방법으로 분리 가능 | 공기, 소금물, 우유, 흙 |
3.주기율표 읽기
주기율표는 원소를 원자 번호 순서로 늘어놓되, 성질이 비슷한 원소가 같은 세로줄에 오도록 배열한 표입니다. 가로줄을 주기(1~7주기), 세로줄을 족(1~18족)이라고 합니다. 각 칸에는 보통 원자 번호, 원소 기호, 원소 이름, 원자량이 적혀 있습니다.
같은 주기의 원소는 전자가 들어 있는 껍질 수가 같고, 같은 족의 원소는 가장 바깥 껍질의 전자 수(원자가 전자 수)가 같습니다. 화학 반응에 주로 참여하는 것이 이 바깥 전자이기 때문에 같은 족 원소는 성질이 비슷합니다.
왼쪽과 가운데에는 금속, 오른쪽 위에는 비금속이 많습니다. 1족의 리튬·나트륨·칼륨은 반응성이 큰 금속이고(수소는 1족에 있지만 비금속입니다), 17족의 플루오린·염소는 반응성이 큰 비금속, 18족의 헬륨·네온·아르곤은 거의 반응하지 않는 비활성 기체입니다. 휴대폰 배터리에 쓰이는 리튬이 1족 금속이라는 점도 기억해 둘 만합니다.
- 나트륨 11개: 첫 껍질 2, 둘째 껍질 8, 남은 11 − 10 = 1개가 셋째 껍질 → 2, 8, 1
- 염소 17개: 2, 8, 그리고 17 − 10 = 7개 → 2, 8, 7
- 해석: 나트륨은 바깥 전자 1개를 잃기 쉽고, 염소는 1개를 얻어 8개를 채우기 쉽습니다. 그래서 둘이 만나면 나트륨 이온(Na⁺)과 염화 이온(Cl⁻)이 되어 결합합니다.
4.이온과 동위 원소
원자가 전자를 잃거나 얻으면 양성자 수와 전자 수가 달라져 전하를 띠게 됩니다. 이것을 이온이라고 합니다. 전자를 잃으면 (+)전하를 띤 양이온, 전자를 얻으면 (−)전하를 띤 음이온이 됩니다. 이때 바뀌는 것은 전자 수뿐이고 양성자 수는 그대로이므로, 이온이 되어도 원소의 종류는 바뀌지 않습니다.
반대로 양성자 수는 같은데 중성자 수가 다른 원자들도 있습니다. 이것을 동위 원소라고 합니다. 양성자 수가 같으니 같은 원소이고 화학적 성질도 거의 같지만, 질량수가 다릅니다. 탄소에는 탄소-12와 탄소-13 외에 방사성 동위 원소인 탄소-14가 있으며, 탄소-14가 일정한 속도로 줄어드는 성질은 오래된 유물의 연대를 추정하는 데 쓰입니다. 주기율표의 원자량이 정수가 아닌 것은 이처럼 여러 동위 원소가 섞인 평균값이기 때문입니다.
- Na⁺: 양성자 11개, 전자 1개를 잃었으므로 전자 11 − 1 = 10개
- Cl⁻: 양성자 17개, 전자 1개를 얻었으므로 전자 17 + 1 = 18개
- 탄소-14: 질량수 14 − 양성자 6 = 중성자 8개
- 검산: Na⁺의 전하 = 양성자 11 − 전자 10 = +1, Cl⁻의 전하 = 17 − 18 = −1로 이온 기호와 맞습니다.
5.물질의 상태와 상태 변화
물질은 보통 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재합니다. 고체는 입자가 제자리에서 진동만 해 모양과 부피가 일정하고, 액체는 입자가 서로 자리를 바꿀 수 있어 부피는 일정하지만 모양이 그릇에 따라 바뀌며, 기체는 입자가 자유롭게 날아다녀 모양도 부피도 일정하지 않습니다.
상태가 바뀌어도 입자 자체는 바뀌지 않고 입자 사이의 거리와 배열만 달라지므로, 상태 변화는 화학 변화가 아니라 물리 변화입니다. 얼음, 물, 수증기는 모두 같은 물 분자입니다. 1기압에서 물은 0 °C에서 얼고 100 °C에서 끓습니다. 높은 산에서는 기압이 낮아 물이 100 °C보다 낮은 온도에서 끓습니다.
상태가 바뀔 때는 열이 드나듭니다. 녹거나 증발할 때는 열을 흡수하고, 얼거나 응결할 때는 열을 내놓습니다. 여름에 마당에 물을 뿌리면 시원해지는 것, 땀이 마르며 체온을 낮추는 것은 증발할 때 주변의 열을 흡수하기 때문입니다. 냉장고와 에어컨도 냉매가 증발할 때 열을 흡수하는 성질을 이용합니다.
| 변화 | 이름 | 열 | 생활 예 |
|---|---|---|---|
| 고체 → 액체 | 융해 | 흡수 | 얼음이 녹는다 |
| 액체 → 고체 | 응고 | 방출 | 물이 언다 |
| 액체 → 기체 | 기화(증발·끓음) | 흡수 | 젖은 빨래가 마른다 |
| 기체 → 액체 | 액화 | 방출 | 차가운 컵 표면에 물방울이 맺힌다 |
| 고체 → 기체 | 승화 | 흡수 | 드라이아이스가 줄어든다 |
| 기체 → 고체 | 승화(교과서에 따라 증착) | 방출 | 추운 날 유리창에 서리가 생긴다 |
📌 핵심 정리
- 원자는 원자핵(양성자+중성자)과 전자로 이루어지고, 원자 번호 = 양성자 수다
- 원소는 한 종류의 원자, 화합물은 원소가 일정 비율로 결합한 것, 혼합물은 결합 없이 섞인 것이다
- 주기율표의 가로줄은 주기, 세로줄은 족이며 같은 족은 바깥 전자 수가 같아 성질이 비슷하다
- 상태 변화는 입자의 배열만 바뀌는 물리 변화다 — 물은 1기압에서 0 °C에 얼고 100 °C에 끓는다
- 녹고 증발할 때는 열을 흡수하고, 얼고 응결할 때는 열을 내놓는다
- 이온은 전자 수가, 동위 원소는 중성자 수가 다를 뿐 양성자 수(원소의 종류)는 같다
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주기율표의 한 원소를 깊이 알고 싶을 때
주기율표에서 [원소 이름]의 위치(주기·족)와 원자 번호, 전자 배치(껍질 모형 기준)를 알려 주고, 그 위치 때문에 어떤 성질을 갖는지 설명해 줘. 생활 속에서 이 원소가 쓰이는 곳 세 가지와, 다룰 때 주의할 점도 적어 줘. 껍질 모형이 단순화된 모형이라는 점도 한 줄로 밝혀 줘.
원자 모형을 비유로 이해하고 그 한계를 알고 싶을 때
원자의 구조를 일상적인 비유로 설명해 줘(크기 비율이 드러나게). 그다음 그 비유가 실제 원자와 다른 점을 목록으로 정리해 줘. 특히 전자가 궤도를 도는 공처럼 그려지는 그림이 왜 정확하지 않은지 중학생 수준으로 설명해 줘.
- 중·고등학교 과학 교과서의 일반적 내용(물질의 구성, 상태 변화)
- 국제순수·응용화학연합(IUPAC)의 원소 주기율표
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