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원자·분자·이온

물질을 구성하는 기본적인 성분을 원소라 하는데 원소의 가장 작은 입자로서 원자가 있다. 원자는 전기적으로 중성이지만 전기를 띠면 이온이 된다. 원자가 몇 개 결합하여 분자를 만들기도 한다. 이들 개념이 어떻게 발전해 왔는지를 알아보기로 하자.

원자

물질을 계속해서 작게 쪼개면 어디까지 무한히 작게 쪼갤 수 있는 것일까, 아니면 일정한 크기의 입자가 되면 그 이상 쪼갤 수 없는 것일까? 이 문제는 옛부터 많은 사람들이 가졌던 의문이다. 그 중에서도 기원전 5세기경의 그리스의 철학자 데모크리토스는 '물질은 모두 그 이상 쪼갤 수 없는 원자라는 작은 기본 입자로 이루어져 있고, 원자는 영원히 운동을 하고 있다'고 생각하였다. 그리고 모든 물질 현상과 정신 현상을 원자로 설명하였다. 오늘날 원자를 영어로 atom이라고 하는데, 이 말은 '분할할 수 없는 것'이란 뜻의 'a tomos'라는 그리스어에서 나온 것이다. 그러나 이보다 좀 늦은 시대의 그리스의 철학자 플라톤이나 아리스토텔레스는 원자라는 생각을 인정하지 않고, 오히려 물질은 무한히 나눌 수 있다는 생각을 했다. 자연과학에서 원자의 개념이 매우 중요하다고 주장한 사람은 영국의 돌턴이다. 돌턴은 기상학에 관심을 갖고 공기의 성질을 연구하였다. 또, 보통의 기체에 대해서도 부피와 압력의 관계를 연구하여 부분 압력의 법칙을 발견하였다. 1803년, 돌턴은 기체의 성질을 잘 설명하기 위해서는 기체가 입자로 되어 있다고 생각하면 편리하다는 것을 발표하였다. 돌턴은 원자는 물질에 따라 무게와 성질이 다르며, 그 물질을 구성하는 가장 작은 입자로서 그 이상 나눌 수도, 다른 것으로부터 만들 수도 없다는 점 등을 가정하였다. 그리고 그것을 기초로 해서 배수 비례의 법칙이 성립된다는 것을 예상하고, 메탄이나 에틸렌에 대해서 이것을 실험적으로 증명하였다. 그러나 원자가 실제로 존재한다는 것을 증명한 것은 아니므로 하나의 가설로 생각되어 원자설이라고 불리었다. 원자설은 베셀리우스에 의한 원자량의 측정으로 점차 인정되다가 19세기 물리학의 발전과 더불어 원자핵이나 전자의 존재가 확실해지자 정설로 인정되었다. 원자는 원소의 종류만큼 있다고 생각되어 왔으나, 동위 원소의 발견으로 상당히 많은 수의 원자가 있다는 것을 알게 되었고, 원자의 종류는 원소의 종류인 103종보다 훨씬 많아 1,000종이 넘는다는 것이 밝혀졌다. 이 중, 자연계에서 발견되는 것은 300여 종이고 나머지는 인공적으로 만들어진 것이다.

분자

돌턴은 처음에 원소나 화합물이나 원자로 이루어져 있다고 생각하였다. 그리하여 그때까지 발견된 질량 보존의 법칙, 일정 성분비의 법칙 그리고 돌턴 자신이 그것이 성립된다는 것을 증명한 배수 비례의 법칙 등을 잘 설명할 수가 있었다. 기체 반응의 법칙에 따르면 P343의 그림과 같이 수소와 염소로부터 염화수소가 생기는 반응은 그 부피비가 1：1：2이다. 만일 같은 부피 안에 같은 수의 원자가 포함되어 있다고 하면, 가장 간단한 경우로서 수소 1원자와 염소 1원자로부터 염화수소가 2원자 생기는 것이 된다. 그렇다면, 이 염화수소 1원자 중에는 수소와 염소가 모두 1/2원자씩 들어가 있는 것이 되어 원자는 더이상 쪼갤 수 없다는 돌턴의 가설에 모순된다. 이 문제는 간단히 해결되지는 않았지만, 이탈리아의 물리학자 아보가드로가 1811년에 원자가 몇 개 결합된 분자라는 개념을 생각하고 '모든 기체는 같은 온도와 압력하에서는 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 포함한다'고 하는 가설을 제시하였다. 이것에 의하면 위의 반응은 수소와 염소는 각각 1분자가 2원자로 이루어져 있고, 염화수소 1분자 속에는 수소와 염소가 각각 1원자씩 포함되어 있는 것이 되어 돌턴의 원자설에 모순이 되지 않는다. 이것을 '아보가드로의 분자설'이라고 한다. 그러나 같은 종류의 원자가 2개 결합한다는 생각은 그 이유를 알 수 없기 때문에 돌턴을 비롯한 많은 학자들은 인정하지 않았다. 그리하여, 실제로는 많은 사실들이 실험적으로 밝혀진 약 50년 후(1860)에 같은 이탈리아의 화학자 카니차로의 제안에 의해서 겨우 인정받게 되었다. 아보가드로의 가설도 현재는 실험적으로 인정되었고, 표준 상태(0℃, 1기압)에서의 기체 22.4ι 속에 포함되어 있는 분자수(아보가드로수 6.022045×1023개)도 측정되어 일정하다는 것이 알려졌다. 따라서, 이 가설은 아보가드로의 법칙이라고 불리게 되었다. 분자라는 개념은 처음에 기체에 관한 생각이었고, 액체나 고체에서도 적용될지는 간단히 결정할 수가 없었다. 현재는 액체나 고체도 분자로 이루어진 것이 있다는 사실이 알려졌다. 액체에서는 헥산·벤젠·클로로포름·사염화탄소 등이 그것인데. 이들은 휘발성이며 기체로 되기 쉽다. 즉, 분자 내의 원자들 사이의 결합은 강하지만, 다른 분자와의 사이에 작용하는 힘은 약하다. 고체에서도 황·인·나프탈렌·드라이아이스 등은 분자가 규칙적으로 배열되어 있는 것이다. 그러나 액체인 수은이나 고체인 염화나트륨, 황산구리(Ⅱ)는 분자로 존재하지 않는다. 이와 같이, 액체나 고체에서는 기체의 경우와 달리 모든 물질이 분자로 이루어져 있는 것은 아니다. 또, 분자가 원자의 한 덩어리라고 생각할 때, 다이아몬드와 같이 탄소 원자로 이루어진 큰 덩어리는 그것 자체를 커다란 분자로 생각할 수도 있다. 또, 합성 수지나 단백질 등과 같이 몇 종의 원자가 일정하게 배열되어 큰 분자를 이루고 있는 것도 있다. 이들을 '거대 분자' 또는 '고분자'라고 한다. 현재는 분자 내에서 원자가 어떻게 결합하고 있는가를 연구하여, 그 분자 구조가 밝혀지고 있다.