원소, 원자, 분자 개념 정리

중학교 2학년 과학의 물질의 구성 단원에서 배우는 원소, 원자, 분자의 개념 정리를 해보려고 합니다. 개념 정리가 잘 되어 있어야 뒤에 나오는 이온, 화합물 등과 헷갈리지 않습니다.
 

1. 원소

1) 원소의 개념

원소란 더 이상 다른 물질로 분해되지 않으면서 물질을 이루는 기본 성분을 뜻합니다. 아리스토텔레스가 4 원소 변환설에서 물이 기본 원소라고 하였는데, 라부아지에의 실험에서 물이 수소와 산소로 분해됨으로써 더 이상 원소가 아니란 것이 증명되었습니다.

2) 원소의 특징

원소의 특징은 다음과 같습니다.

• 화학변화가 일어나도 원소는 변하지 않는다.
• 원소의 종류마다 특징이 다르다.
• 현재까지 알려진 원소의 수는 118여 종류이다.

 

3) 주요 원소

우리 주변의 물질을 이루는 주요 원소를 알아보면 다음과 같습니다.

• 공기 : 수소, 산소, 탄소 등
• 물 : 수소, 산소
• 소금 : 염소, 나트륨
• 다이아몬드 : 탄소
• 설탕 : 수소, 산소, 탄소

 

2. 원자

1) 원자의 개념

원자는 과거에는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 입자로 정의되었으나, 현재는 전기적으로 중성인 입자를 뜻합니다.

2) 원자의 구조

원자는 원자핵과 전자로 나뉘며, 원자핵은 양성자와 중성자로 나누어집니다. 현대 과학에서는 양성자와 중성자가 또다시 나뉘었습니다만, 중학교 수준에서는 배우지 않습니다.
 
원자핵을 이루고 있는 양성자는 (+) 전하를 띠며, 중성자는 전하를 띠지 않습니다. 양성자와 중성자가 합쳐져 원자핵을 이루며 원자의 중심에 있고, 원자 질량의 대부분을 차지하게 됩니다. 양성자 개수가 달라지면 다른 종류의 원자가 됩니다. 중성자는 개수가 달라진다고 해서 원자의 종류가 바뀌지는 않고, 질량이 달라지는 동위원소를 이루게 됩니다.
tip. 별에서 일어나는 수소핵융합반응을 통해 양성자가 1개인 수소 원자가 두 개 합쳐지면서 양성자가 2개인 헬륨 원자가 됩니다. 우주를 이루고 있는 원자들은 이런 과정을 통해 모두 별에서 만들어진 것입니다. 
 
전자는 (-) 전하를 띠고 있고, 원자핵 주위에 구름 모양으로 분포되어 있습니다. 원자핵에 비해 매우 작고 가벼우며 가장 바깥쪽에 있는 전자는 다른 원자로 이동하기도 합니다. 이 과정을 통해 전하를 띠는 이온이 만들어지기도 하고, 물체 수준에서 봤을 때는 마찰전기가 생기기도 합니다. 
 
기본적으로 원자는 (+) 전하를 띠는 양성자 수와 (-) 전하를 띠는 전자 수가 같아 전기적으로 중성입니다. 원자는 매우 작아 보이지 않으며, 그 안에 있는 원자핵은 또 원자에 비해 매우 작아 원자의 대부분은 빈 공간으로 이루어져 있다고 합니다. 원자는 너무 작아서 눈으로 볼 수 없기 때문에 모형을 통해 나타냅니다.

3) 원자 모형

현대에 와서는 원자 모형을 그릴 때, 전자의 위치가 원자핵 주위에  구름 모양으로 분포되어 있다고 합니다. 하지만 이 내용을 중학교 수준에서 이해하기는 어렵고, 뒤에 나오는 이온을 이해하기 위해서는 보어의 모형으로 이해하는 것이 비교적 쉽습니다. 보어의 원자 모형에 따르면 원자핵 주위를 돌고 있는 전자는 특별한 궤도를 돌고 있는데, 각 궤도마다 들아갈 수 있는 전자의 수가 정해져 있습니다. 원자핵에 가장 가까운 첫 번째 궤도에는 전자가 2개 들어갈 수 있고, 두 번째 궤도부터는 전자가 8개씩 들어갈 수 있습니다. 전자는 가장 안쪽 궤도부터 채워서 그립니다.
예를 들어, 원자번호 8번(원자번호는 양성자수와 같아, 원자번호가 8번이라는 것은 양성자가 8개란 뜻과 같습니다.)인 산소의 원자 모형을 그려보면, 가운데 양성자 8개가 모여 원자핵을 이루고 있고(중성자는 무시함), 첫 번째 전자 궤도에 전자 2개, 두 번째 전자 궤도에 전자 6개가 들어갑니다.
 

4) 원자와 원소

원소와 원자의 차이를 보면, 같은 종류의 원자가 모여 있는 집합체를 원소라고 하며, 원자는 원소를 낱개로 취급할 때 원자라고 합니다. 예를 들어, 필통에 들어 있는 펜의 종류(원소)를 물어보면 '색연필, 사인펜, 연필'이 되며, 각각의 펜의 개수(원자)를 물어보면 '색연필 2자루, 사인펜 1자루, 연필 5자루'로 대답하는 것과 같습니다. 구체적인 예를 들면, 물을 이루고 있는 원소는 수소와 산소이며, 물 분자 1개를 구성하고 있는 원자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개입니다.
 
다시 정리하자면, 원소는 물질을 이루는 기본 성분이라는 셀 수 없는 추상적인 개념입니다. 반면 원자는 물질을 이루는 가장 작은 입자로 하나하나 개수를 셀 수 있습니다.
 

3. 분자

분자는 독립적으로 존재하여 물질의 성질을 나타내는 가장 작은 입자입니다. 하나의 분자에는 여러 개의 원자가 들어갈 수도 있고, 단 하나의 원자가 분자가 될 수도 있습니다.
예를 들어, 수소 분자는 수소 원자가 2개 모여야 하며, 이산화탄소 분자는 산소 원자 2개와 탄소 원자 1개가 모여야 합니다. 반면에 헬륨 분자의 경우에는 헬륨 원자 1개로만 이루어져 있습니다.

분자의 개념에서 ‘성질’이라는 것이 가장 중요한데, 우리가 흔히 산소는 호흡과 연소에 이용된다고 합니다. 이때 말하는 산소는 무엇일까요? 바로 산소 분자입니다. 산소 원자를 뜻하는 게 아닙니다.

4. 마무리

지금까지 원소, 원자, 분자의 개념을 알아보았습니다. 가장 큰 수준에서부터 보자면

• 물체 : 우리 주변을 채우고 있는 부피를 가진 것

• 물질 : 물체를 구성하는 재료
• 분자 : 성질을 띠는 가장 작은 입자

• 원소 : 물질을 이루고 있는 가장 작은 입자

• 원자 : 전기적으로 중성인 입자(원소를 낱개로 보는 것)

이렇게 정리할 수 있겠습니다.

 

 

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