화학량론

목차

화학량론적 계산 (농도에 관한 기초지식)
21세기 화학을 바라보며(Ⅳ) 고체화학
다시 도입된 원자론

본문내용

A.H.베크렐의 방사능 발견과 1898년 퀴리부부의 라듐 발견에 의하여 원소의 붕괴가 실증되어 이런 정의에 의문이 생겼고, 원소의 인공변환, 또 많은 종류의 동위원소의 발견으로 이 정의는 애매하게 되었다.
방사성원소의 발견과 인공원소의 제조 및 동위원소의 발견은 불생불멸이야말로 원소의 본질적 특성이라고 했던 생각과 같은 원소의 원자는 모두 동일하다는 생각이 완전히 부정되고 말았다. 즉, 원소란 같은 종류의 원자가 가지는 속성에 대한 개념이라고 하기에 이르렀다.
물질을 구성하고 있는 최소단위의 입자로서의 원자를 생각하게 되고, 원자가 갖는 속성에 주목할 때에 원소라는 개념이 생겨나게 된 뒤부터는 원자번호가 원소의 성질을 규정하는 가장 기본적인 것이 되었다.
또한 한 종류의 원소의 원자로 된 물질을 홑원소물질이라고 하며 화합물과 구별하여 홑원소물질을 원소와 같은 뜻으로 사용하는 경우도 있으나, 정확하게는 구별해야 한다. 즉, 홑원소물질은 기술적으로 분리될 수 있는 실제로 존재하는 물질이지만, 그 성분인 원소를 인식하는 것은 사고에 불과한 것이다. 다시 말하면 홑원소물질은 한 종류의 성분으로 이루어진 것이며, 그 성분이 바로 원소인 것이다.
현재에는 '어떤 특정의 원자번호를 갖는 원자에 의하여 대표되는 물질종을 원소라 한다'는 정의가 쓰이고 있다.
원소명의 유래
원소에 붙여진 이름들은 대부분 그 원소의 발견과 관련이 깊다. 원자번호 1번인 수소는 영국의 Cavendish가 발견하였다. 수소(Hydrogen)는 그리스어 hydro('물'이라는 뜻)+gennao('낳다'의 뜻)의 합성어로서 물을 만드는 원소란 뜻이다. 헬륨은 1868년에 인도에서 있은 일식 때 영국의 천문학자 로키어(Lockyer)가 태양스펙트럼 속에서 발견하였는데, 헬륨(Helium)은 그리스어 helios(태양신)에서 유래되었다. 산소(Oxygen)는 그리스어 oxys(시다)+gennao(생기다)에서 유래되었고, 네온(Ne)은 그리스어 neon(새롭다)에서 유래하였는데 '새로운 원소'라는 의미이다. 원자번호 43번 테크네슘(Technetium, 원소기호 Tc)은 그리스어 technetos(인공의)에서 유래되었다. 이 원소는 최초로 인공적으로 합성된 원소이다.
원소번호 92번내에서 천연에서 발견되지 않은 원소가 둘 있는 데 그것은 43번과 61번 원소이다. 1937년에 페리에와 세그레는 사이클로트론이라는 가속기를 이용하여 고에너지로 가속한 중수소 원자핵을 몰리브덴(42번)에 충돌시켜 새로운 방사성 동위체(100억분의 1mg) 발견하였다. 이것이 테크네슘의 발견으로 인류최초의 인공원소였다. 반감기 420만년이고, 이 원소에는 안정한 동위체가 없어서 자연계에서 발견되지 않는다.
프로메튬(Promethium, 원소기호 Pm)도 자연계에 안정한 동위체가 없으며(약 10종의 동위원소가 발견되어 있고 반감기는 30초-17.7년으로 매우 짧다). 1947년 미국의 마린스키등이 우라늄 핵분열 생성물질 속에서 처음으로 분리하고, 또 네오디뮴을 중성자로 충격하여 합성하였다. 제2의 불로 일컬어지는 우라늄의 핵분열 생성물질 속에서 발견되어 프로메튬으로 명명되었다.
원자는 실재하는가?
19C-20C초까지도 원자란 과연 실제로 존재하는가? 아니면 하나의 단순히 편리한 개념일 뿐인가?하는 논쟁이 계속되었다. 이 논란에 종지부를 찍은 것은 아인슈타인이 발표한 브라운 운동의 설명이다(특수상대성이론과 함께 1905년에 발표한 3개의 논문 가운데 하나임).
브라운 운동이란 기체 또는 액체와 같은 유체속에서 있는 콜로이드 입자의 불규칙한 운동을 말하는 데, 1827년 꽃가루에서 나온 입자가 물속에서 불규칙하게 운동하는 것을 영국의 식물학자 R. 브라운이 현미경으로 관찰함으로써 발견되었다. 아인슈타인은 이론적으로 원자의 움직임이 거시적으로 나타난 것이 브라운 운동이라는 것을 증명하였던 것이다.
오늘날 원자는 STM(scanning tunneling microscope)에 의하여 사진을 찍을 수 있다. STM은 정밀하게 위치를 잡아놓은 작은 점과 물질표면의 원자사이를 흐르는 전류를 측정하는 방법으로 작동한다. STM으로 찍은 사진은 물질 표면의 원자를 하나하나를 볼 수 있을 정도로 정교하다. 오늘날 원자의 실체는 더 이상 논쟁의 대상이 아니다. 오히려 그 논쟁은 그 이하의 구성요소(이를테면 쿼크나 수퍼스트링)로 내려가 버렸다.
원소의 기원
우주는 공간과 물질로서 구성된다. 과연 이 우주안에는 얼마나 많은 물질이 있으며, 그 물질을 구성하는 원소는 각각 얼마나 존재하는가? 또 우주를 구성하는 원소들은 어떻게 생성되었는가?
우주를 구성하는 대부분의 원소는 수소와 헬륨이며, 우주의 평균 물질 밀도는 1입방 미터당 1~0.1개의 수소 원자이다.
우주의 물질성분의 대부분을 차지하는 수소와 헬륨의 원자핵은 우주 창생초에 일어난 빅뱅(big bang)에서 생겨났다. 이보다 더 무거운 원소들은 그 후에 생성된 별에서 수소와 헬륨이 연소하여 생긴 것이다. 예를 들면 He+He+He->C, C+He->O 와 같은 과정으로 생성된다.
위와 같은 헬륨의 반응으로 짝수 원자번호의 원소가 만들어지고, 원자번호가 홀수인 원자는 이것들에 수소가 반응하여 생긴다. 이러한 반응에는 수억도라는 고온이 필요한데 별의 내부에서 중력의 에너지가 이러한 온도를 낳는다. 고온에서 원자핵끼리 반응하여 큰 원자핵이 만들어진다(핵융합).
별내부에서 일어나는 핵융합은 발열반응으로 반응후에 온도가 더 올라간다. 핵융합의 부산물로 철이 생성되는 근처에서 원자핵내의 핵자의 결합이 견고해지고 원자핵이 안정한 것으로 된다. 철의 원자핵이 합성되는 단계에서 핵융합이 잘 진행되지 않는다. 철보다 더 큰 원자핵이 만들어진다해도 곧 분해되어 안정한 철로 환원된다. 이 때문에 철은 핵융합의 종착역이며 별의 내부에 철이 축적되고 별의 심이 무거워져 별의 중력이 수축되어 간다. 내부가 초고압이 되어 그 한계점에 도달했을 때 별은 대폭발하게 되어 초신성이 된다. 철보다 무거운 원소는 폭발 때 생기는 고밀도의 양성자와 중성자가 그 때까지 생긴 원자핵과 순간적으로 반응해서 만들어진 것으로 생각된다.

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