Chapter 02

원자, 분자, 이온

모든 물질은 원자로 이루어져 있다 — 지금은 당연해 보이는 이 문장은 19세기 초에야 정량적 법칙으로 뒷받침되었고, 20세기 초에는 원자 안에 더 작은 입자가 있다는 놀라운 실험들이 뒤따랐다. 이 장에서는 원자설이 어떻게 세워졌는지, 원자는 무엇으로 되어 있고 동위원소의 질량은 어떻게 재는지, 그리고 원자들이 모여 만드는 분자와 이온 화합물에 어떻게 이름을 붙이는지를 다룬다. 먼저 탄소 원자 하나를 확대해 보자 — 원자에서 핵까지 크기가 몇 자리나 줄어드는지.

끌거나 눌러 확대·축소

돌턴 원자설로 질량 보존·일정 성분비·배수 비례 법칙을 설명한다.
톰슨의 음극선, 밀리컨의 기름방울, 러더퍼드의 금박 실험이 각각 무엇을 밝혔는지 설명한다.
원자 번호·질량수·전하로 양성자·중성자·전자 수를 구하고 동위원소 기호를 쓴다.
질량 분석 자료의 동위원소 존재비로 평균 원자량을 계산하고, 거꾸로 존재비를 구한다.
주기율표에서 족·주기와 금속·비금속·준금속을 구별하고 주족 원소의 이온 전하를 예측한다.
이온 화합물·산·이원 분자 화합물의 화학식과 이름을 서로 바꾼다.

원자설과 화학의 기본 법칙

고대 그리스의 데모크리토스는 물질을 계속 쪼개면 더는 나눌 수 없는 알갱이, atomos에 이른다고 생각했다. 그러나 그것은 철학이었다. 원자가 과학이 된 것은 18세기 말 화학자들이 저울로 반응을 정밀하게 측정하면서부터다.

질량 보존 법칙 (라부아지에, 1789)

화학 반응에서 반응물의 총질량과 생성물의 총질량은 같다. 질량은 생기지도 없어지지도 않는다.

일정 성분비 법칙 (프루스트, 1799)

한 화합물을 이루는 원소의 질량비는 시료의 출처·제법과 무관하게 일정하다. 물은 언제나 질량으로 H : O = 1 : 7.94.

배수 비례 법칙 (돌턴, 1803)

두 원소 A, B가 두 가지 이상의 화합물을 만들 때, 일정한 질량의 A와 결합하는 B의 질량들은 간단한 정수비를 이룬다.

돌턴의 원자설 (1803–1808)

원소는 원자라는 아주 작은 입자로 되어 있다.
한 원소의 원자들은 모두 같은 성질(질량 등)을 가지며, 다른 원소의 원자와는 다르다.
화합물은 서로 다른 원소의 원자들이 일정한 정수비로 결합한 것이다.
화학 반응은 원자의 재배열이다. 원자는 반응에서 생기거나 없어지거나 다른 원소의 원자로 바뀌지 않는다.

가정 4는 질량 보존을, 가정 3은 일정 성분비를 곧바로 설명한다. 그리고 원자가 "개수 단위"로만 결합한다면 같은 탄소에 붙는 산소는 원자 1개분이거나 2개분일 수밖에 없다 — 배수 비례 법칙은 원자설이 처음으로 예측한 법칙이었다. 이후 동위원소(가정 2의 예외)와 핵반응(가정 4의 예외)이 발견되었지만, 화학 반응에 관한 한 돌턴의 그림은 지금도 옳다.

반응 전: 수소 분자 2개와 산소 분자 1개.
분자 안의 결합이 끊어진다. 원자 자체는 쪼개지지도, 다른 원소로 바뀌지도 않는다(가정 4).
원자들이 새 짝을 지어 물 분자 2개가 된다. 분자 수는 3 → 2로 줄었다.
그러나 원자의 종류와 개수는 그대로다 — 그래서 질량이 보존된다.

화학 반응은 원자의 재배열이다. 분자의 수는 변할 수 있지만 원자의 수는 변하지 않는다. 이것이 질량 보존 법칙의 원자적 설명이다.

뚜껑 열기

MINI LAB라부아지에의 저울. 탄산 칼슘을 가열하면 $\ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)}$로 분해된다. 닫힌 용기에서는 저울 눈금이 그대로이고, 뚜껑을 열면 CO₂가 빠져나가 가벼워진 것처럼 보인다. 질량 보존 법칙을 발견하려면 닫힌 계에서 재야 했던 이유다.

탄소와 산소는 두 가지 화합물을 만든다. 화합물 Ⅰ은 탄소 1.000 g당 산소 1.332 g, 화합물 Ⅱ는 탄소 1.000 g당 산소 2.664 g을 포함한다. 배수 비례 법칙이 성립하는지 보이고, 가능한 화학식을 제안하라.

풀이 보기

전략 탄소의 질량을 같게 맞춘 상태(1.000 g)에서 산소 질량의 비를 구한다.

풀이 $\dfrac{2.664\,\text{g O}}{1.332\,\text{g O}} = 2.000$ → 간단한 정수비 2 : 1. 원자 수로 말하면 화합물 Ⅱ의 탄소 원자 하나는 화합물 Ⅰ보다 두 배 많은 산소 원자와 결합한다. 가장 간단한 선택은 Ⅰ = CO, Ⅱ = CO₂.

질량비 2 : 1 → CO와 CO₂

검토 원자량(C 12.011, O 15.999)으로 계산하면 CO는 15.999/12.011 = 1.332, CO₂는 2.664로 정확히 일치한다. 다만 질량비만으로는 C₂O₂와 C₂O₄를 구별할 수 없다 — 분자식을 정하려면 몰 질량이 필요하다(3장).

질소 원자 2개와 산소 원자 4개로 된 ()에서 질소 1.000 g과 결합한 산소는 이다. 이것은 N₂O(0.571 g)의 배 —

원자 구조의 발견

돌턴에게 원자는 쪼갤 수 없는 단단한 공이었다. 1897–1911년 사이의 세 실험이 이 그림을 무너뜨리고, 원자가 전자(electron), 양성자(proton), 중성자(neutron)로 되어 있으며 거의 모든 질량이 아주 작은 핵(nucleus)에 모여 있음을 밝혔다.

톰슨의 음극선: 전자의 발견과 e/m

진공관 양 끝에 높은 전압을 걸면 음극에서 빛줄기, 음극선(cathode ray)이 나온다. J. J. 톰슨(1897)은 이 선이 전기장과 자기장에서 휘는 정도를 맞춰, 그것이 음전하를 띤 입자의 흐름이며 그 입자의 전하 대 질량비가 일정함을 보였다.

톰슨의 음극선관. 음극선은 + 판 쪽으로 휘므로 음전하를 띤다. 전기장과 자기장의 휨이 서로 상쇄되도록 맞추면 입자의 속력을, 한쪽 휨만으로 $e/m$을 얻는다. 음극 금속을 바꿔도 $e/m$이 같아 전자가 모든 원자의 공통 성분임이 드러났다.

$$\frac{e}{m_e} = 1.758\,820 \times 10^{11}\ \text{C/kg}$$

수소 이온(양성자)의 전하 대 질량비보다 약 1836배 크다. 전자는 원자보다 훨씬 가볍다는 뜻이다.

톰슨의 방법을 직접 해 보자. 전기장만 걸면 빔이 휜다. 여기에 자기장을 더해 두 힘 $eE$와 $evB$가 같아지도록 맞추면 빔이 다시 곧아지고, 이때 전자의 속력은 $v = E/B$다. 그다음 자기장을 끄고 전기장만으로 휜 거리 $y$를 재면 $e/m$이 나온다.

$$v = \frac{E}{B}, \qquad y = \frac{e}{m}\,\frac{E L}{v^2}\left(\frac{L}{2} + D\right) \;\Rightarrow\; \frac{e}{m} = \frac{y\,v^2}{E L\,(L/2 + D)}$$

$L$: 극판 길이(5.0 cm), $D$: 극판 끝에서 스크린까지 거리(6.0 cm), $y$: 스크린에서 잰 빔의 휨.

위쪽이 + 판인 극판 사이로 음극선을 보낸다. 전기장만 켜면 빔은 어느 쪽으로 휠까?

음극선은 음전하 입자(전자)의 흐름이라 + 판에 끌린다. 아래 시뮬레이터에서 자기장으로 이 휨을 상쇄해 보라.

SIMULATOR

톰슨의 음극선관: 빔을 곧게 맞추고 e/m 재기

판과 코일의 흰 손잡이를 끌어 보라

가속 전압 전기장 E 자기장 B 🎯 도전: 가속 전압을 숨기기

스크린의 휨 y—

1단계: v = E/B—

2단계: 측정한 e/m—

해볼 것: ① E만 켜고 빔이 위로 휘는 것을 확인한 뒤, B를 올려 빔을 스크린 가운데(±0.3 mm)에 맞춰라 — 그 순간의 $v = E/B$가 기록된다. ② B를 0으로 내리면 전기장만의 휨 $y$에서 $e/m$이 계산된다. 참값 $1.759\times10^{11}$ C/kg과 비교하라. ③ 가속 전압을 바꾸면 v가 바뀌어 맞는 B도 바뀌지만 e/m은 그대로다. ④ 도전: 가속 전압을 숨긴 채 ①–②로 e/m을 2% 안으로 재 보라.

밀리컨의 기름방울: 전자의 전하

밀리컨(1909)은 아주 작은 기름방울에 X선으로 전자를 붙인 뒤, 두 금속판 사이 전기장을 조절해 방울을 공중에 멈춰 세웠다. 이때 전기력 $qE$와 중력 $mg$가 같으므로 방울의 전하 $q$를 잴 수 있다. 수많은 방울의 전하는 언제나 어떤 최소 단위의 정수배였다.

밀리컨 실험. 전자가 붙어 음전하를 띤 기름방울을 아래쪽 − 판이 밀고 위쪽 + 판이 당긴다. 전기장의 세기를 맞추어 방울을 정지시키면 전하를 계산할 수 있다.

판 전압 V

CHALLENGE기름방울 띄우기. 판 간격 d = 1.00 cm, 방울의 질량은 현미경으로 잰 지름에서 구했다. 전압을 맞춰 방울을 멈추면(속도 ≈ 0) $qE = mg$, 곧 $q = mgd/V$다. 멈춘 상태에서 ‘기록’을 누르고 새 방울로 바꿔 가며 4개 이상 모아 보라. 기록된 전하들이 모두 어떤 수의 정수배인가?

네 개의 기름방울의 전하가 $3.20\times10^{-19}$, $4.80\times10^{-19}$, $8.01\times10^{-19}$, $6.41\times10^{-19}$ C로 측정되었다. 기본 전하 $e$는 얼마로 추정되는가? 이 값과 톰슨의 $e/m$으로 전자의 질량을 구하라.

풀이 보기

전략 모든 값이 하나의 단위의 정수배가 되도록 하는 가장 큰 공약수를 찾는다. 가장 작은 값을 1, 2, … 로 나누어 보며 나머지 값이 정수배가 되는지 확인한다.

풀이 3.20을 2로 나누면 1.60. 각 값 ÷ 1.60 = 2.00, 3.00, 5.01, 4.01 → 모두 정수. 따라서 $e \approx 1.60\times10^{-19}$ C. $$m_e = \frac{e}{e/m_e} = \frac{1.602\times10^{-19}\,\text{C}}{1.7588\times10^{11}\,\text{C/kg}} = 9.11\times10^{-31}\,\text{kg}$$

e ≈ 1.60 × 10⁻¹⁹ C, mₑ ≈ 9.11 × 10⁻³¹ kg

검토 현재 정의값은 $e = 1.602\,176\,634\times10^{-19}$ C(정확), $m_e = 9.109\times10^{-31}$ kg이다. 수소 원자 질량($1.67\times10^{-27}$ kg)의 약 1/1836이다.

러더퍼드의 금박 실험: 핵의 발견

톰슨은 원자가 양전하를 띤 "푸딩" 속에 전자가 건포도처럼 박힌 구조라고 생각했다. 러더퍼드의 제자 가이거와 마스든(1909)은 얇은 금박에 알파(α) 입자(He²⁺)를 쏘았다. 푸딩 모형이라면 양전하가 원자 전체에 퍼져 있으니 α 입자는 거의 휘지 않아야 한다. 대부분은 그대로 지나갔지만, 약 2만 개에 하나꼴로 90°보다 크게 튕겨 나왔다. 러더퍼드는 "얇은 종이에 포탄을 쏘았는데 되튀어 나온 것만큼 놀라웠다"고 했다.

왼쪽: 금박 실험. 대부분의 α는 곧게 지나가고, 일부는 조금 휘며, 극히 일부는 되튄다. 오른쪽: 해석. 양전하와 질량은 원자 지름의 약 10⁻⁵ 크기인 핵에 몰려 있고, 원자의 나머지는 전자가 차지하는 거의 빈 공간이다.

톰슨의 ‘푸딩 모형’처럼 양전하가 원자 전체에 고르게 퍼져 있다면, 금박에 쏜 α 입자는 어떻게 될까?

퍼진 양전하는 α 입자를 세게 밀 수 없다. 큰 각도의 되튐은 양전하가 작은 핵에 몰려 있어야만 생긴다. 아래에서 R을 최대로 올렸다가 내려 보라.

SIMULATOR

러더퍼드 산란: 핵의 크기와 전하를 바꿔 보기

왼쪽 흰 원을 위아래로 끌어 겨냥하고 놓으면 발사

표적 원자핵

양전하 구의 반지름 R α 입자 에너지 계속 쏘기

쏜 α 입자0

90° 이상 되튄 비율—

정면 최근접 거리 d₀—

왼쪽 가장자리의 흰 손잡이를 끌어 충돌 변수 b(핵에서 비껴가는 거리)를 정하고 놓으면 α 입자 하나가 그 높이로 날아간다. b가 작을수록 크게 휜다. 왼쪽은 핵 주변 ±300 fm(1 fm = 10⁻¹⁵ m)만 크게 확대한 그림이다. 실제 금 원자의 반지름은 약 1.4×10⁵ fm이라 거의 모든 α 입자는 이 창 밖을 지나가며 휘지 않는다. 해볼 것: ① R을 최대(톰슨 푸딩처럼 양전하가 넓게 퍼짐)로 하면 큰 각도 산란이 사라진다 — 되튐을 만들려면 전하가 좁은 곳에 몰려 있어야 한다. ② 핵 전하를 Al로 줄이거나 에너지를 높이면 $d_0 = kZ_\alpha Z e^2/E$가 작아져 산란이 약해진다. ③ 오른쪽 히스토그램(로그 눈금)의 점선은 점전하 핵에 대한 러더퍼드 공식의 예측이다. R이 d₀보다 커지면 실제 분포가 예측에서 벗어난다 — 러더퍼드는 이 어긋남으로 핵의 크기를 처음 추정했다.

입자	전하 (C)	상대 전하	질량 (kg)	질량 (u)	위치
양성자 p	+1.602 × 10⁻¹⁹	+1	1.6726 × 10⁻²⁷	1.00728	핵
중성자 n	0	0	1.6749 × 10⁻²⁷	1.00866	핵 (채드윅, 1932)
전자 e⁻	−1.602 × 10⁻¹⁹	−1	9.109 × 10⁻³¹	0.000549	핵 바깥

핵의 지름은 약 1–10 fm(10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ m), 원자의 지름은 약 100–500 pm(10⁻¹⁰ m 수준)이다. 원자를 축구장만 하게 키우면 핵은 가운데의 구슬 하나다. 화학 반응은 핵 바깥의 전자들만 관여하므로, 원소의 화학적 성질은 전자의 수, 곧 핵의 양성자 수가 정한다.

원자 번호, 질량수, 동위원소

원자 번호와 질량수

원자 번호(atomic number) $Z$ = 핵 속 양성자 수. 원소의 정체를 정한다(Z = 6이면 언제나 탄소).
질량수(mass number) $A$ = 양성자 수 + 중성자 수. 중성자 수 $N = A - Z$.

같은 원소(같은 Z)이면서 중성자 수가 다른 원자들을 동위원소(isotope)라 한다. 핵종은 $^{A}_{Z}\text{X}$로 쓴다. Z는 원소 기호에서 이미 알 수 있으므로 흔히 생략해 ¹²C, ¹⁴C 또는 탄소-14처럼 쓴다. 동위원소는 전자 수가 같아 화학적 성질이 거의 같지만, 질량과 핵의 안정성(19장)이 다르다.

핵종 기호. 왼쪽 위는 질량수, 왼쪽 아래는 원자 번호, 오른쪽 위는 이온의 전하다. 탄소의 세 동위원소는 중성자 수만 다르다(빨강: 양성자, 회색: 중성자).

다음 원자 또는 이온의 양성자·중성자·전자 수를 구하라. (a) $^{56}\text{Fe}^{3+}$ (b) $^{37}\text{Cl}^{-}$ (c) $^{238}\text{U}$

풀이 보기

전략 p = Z(주기율표), n = A − Z, 전자 수 = Z − 전하.

풀이 (a) Fe: Z = 26 → p 26, n 56 − 26 = 30, e 26 − 3 = 23. (b) Cl: Z = 17 → p 17, n 20, e 17 + 1 = 18. (c) U: Z = 92 → p 92, n 146, e 92.

(a) 26, 30, 23 (b) 17, 20, 18 (c) 92, 146, 92

검토 양이온은 전자를 잃었으니 전자 수 < 양성자 수, 음이온은 그 반대다. 이온이 되어도 핵(p, n)은 변하지 않는다.

양성자 Z 중성자 N 전하

MINI LAB원자 번호 → 핵 구성. 양성자 수를 바꾸면 원소가 바뀌고, 중성자 수를 바꾸면 같은 원소의 동위원소가, 전하(전자 수)를 바꾸면 이온이 된다. 전자 껍질 그림은 개수를 보이기 위한 단순화다(실제 전자 배치는 7장).

원자 질량 단위와 평균 원자량

원자 하나의 질량은 너무 작아 kg으로 쓰기 불편하다. 그래서 ¹²C 원자 하나의 질량을 정확히 12 u로 정한 원자 질량 단위(atomic mass unit, u 또는 Da)를 쓴다. $1\,\text{u} = 1.660\,539\times10^{-27}$ kg이다.

동위원소의 질량과 존재비는 질량 분석기(mass spectrometer)로 잰다. 기체 상태의 시료를 이온화해 전기장으로 가속한 뒤 자기장을 지나게 하면, 가벼운 이온일수록 더 크게 휜다. 검출기 위치가 질량 대 전하비(m/z)를, 신호 세기가 그 이온의 상대적인 양을 준다.

시료를 기체 상태로 만들어 진공 장치에 넣는다.
빠른 전자로 때려 전자 하나를 떼어 내면 양이온 X⁺가 된다.
가속판의 전기장이 이온들을 같은 운동 에너지로 가속한다.
자기장 속에서 이온은 원을 그리며, 질량이 작을수록 작은 원으로 휜다. 검출기 위치가 m/z, 신호 세기가 존재비를 준다.

질량 분석기. 이온화된 원자(또는 분자)를 가속해 자기장 속을 지나게 하면, 같은 전하에서 질량이 작을수록 반지름이 작은 원을 그린다. 검출기에서 각 m/z의 신호 세기를 그린 것이 질량 스펙트럼이다.

주기율표에 적힌 원자량(atomic weight)은 자연에 있는 동위원소 혼합물의 가중 평균 질량이다.

$$\bar{M} = \sum_i f_i\, m_i = f_1 m_1 + f_2 m_2 + \cdots$$

$f_i$: 동위원소 $i$의 존재비(분율, 합 = 1), $m_i$: 그 동위원소의 질량(u). 그래서 원자량은 대개 정수가 아니다.

³⁵Cl(34.969 u)의 존재비가 75.76, 나머지가 ³⁷Cl(36.966 u)이라면 평균 원자량은 이다. 평균은 두 질량 사이를 지점(³⁵Cl 쪽에서)에 있다 —

염소의 동위원소는 ³⁵Cl과 ³⁷Cl 두 가지이고 원자량은 35.45다. 질량 스펙트럼에서 두 봉우리의 높이는?

35.45는 35와 37 사이의 약 1/4 지점이므로 ³⁵Cl : ³⁷Cl ≈ 3 : 1이다. 아래 스펙트럼의 막대를 직접 끌어 존재비를 바꿔 보라.

SIMULATOR

질량 스펙트럼으로 평균 원자량 구하기

원소

가벼운 동위원소 존재비 이원자 분자 X₂의 스펙트럼 (Cl, Br)

계산한 평균 원자량—

IUPAC 원자량—

계산식—

해볼 것: ① Cl의 평균(35.45)이 35와 37의 한가운데(36)가 아니라 35 쪽에 치우친 이유를 막대 높이로 설명해 보라. ② Br은 두 동위원소가 거의 반반이라 평균이 79.90 — 79와 81의 거의 중간이다. ③ 막대 꼭대기를 끌거나 슬라이더로 존재비를 바꾸면 평균이 두 질량 사이를 직선으로 움직인다(동위원소가 셋인 Mg·Si·Ne는 막대를 끌면 나머지가 비례해서 줄어든다). ④ X₂를 켜면 Cl₂는 m/z 70 : 72 : 74 ≈ 9 : 6 : 1, Br₂는 158 : 160 : 162 ≈ 1 : 2 : 1의 봉우리를 보인다 — 유기 화합물에 Cl·Br이 있는지 알아내는 지문이다.

염소는 ³⁵Cl(34.969 u, 75.76%)과 ³⁷Cl(36.966 u, 24.24%)로 되어 있다. 염소의 원자량을 구하라.

풀이 보기

전략 백분율을 분율로 바꾸어 질량에 곱하고 더한다.

풀이 $\bar M = (0.7576)(34.969) + (0.2424)(36.966) = 26.492 + 8.961 = 35.453$ u

35.45 u

검토 결과가 두 질량 사이에 있고 더 많은 ³⁵Cl 쪽에 가깝다. 주기율표의 35.45와 일치한다. "질량이 35.45 u인 염소 원자"는 하나도 없다는 점에 주의하라 — 평균일 뿐이다.

구리의 원자량은 63.546이고, 동위원소는 ⁶³Cu(62.9296 u)와 ⁶⁵Cu(64.9278 u) 두 가지다. 각 동위원소의 존재비는?

풀이 보기

전략 ⁶³Cu의 분율을 $x$라 하면 ⁶⁵Cu는 $1-x$. 가중 평균 식 하나로 $x$를 푼다.

풀이 $62.9296x + 64.9278(1-x) = 63.546$ → $x = \dfrac{64.9278 - 63.546}{64.9278 - 62.9296} = \dfrac{1.3818}{1.9982} = 0.6915$

⁶³Cu 69.15%, ⁶⁵Cu 30.85%

검토 평균(63.55)이 63 쪽에 가까우므로 ⁶³Cu가 더 많아야 한다. 맞다.

주기율표 개관

1869년 멘델레예프는 당시 알려진 63개 원소를 원자량 순으로 늘어놓고 성질이 비슷한 원소가 같은 세로줄에 오도록 배열했다. 그는 빈칸을 남겨 두고 아직 발견되지 않은 원소(갈륨, 저마늄)의 성질까지 예측했다. 오늘날의 주기율표는 원자량이 아니라 원자 번호 순이다.

족(group): 세로줄, 1–18족. 같은 족 원소는 화학적 성질이 비슷하다. 1족 알칼리 금속, 2족 알칼리 토금속, 17족 할로젠, 18족 비활성 기체. 1, 2, 13–18족을 주족 원소, 3–12족을 전이 원소라 한다.
주기(period): 가로줄, 1–7주기.
금속(왼쪽·가운데, 원소의 약 3/4): 광택, 전기·열 전도성, 연성·전성, 양이온이 되기 쉬움. 비금속(오른쪽 위): 부도체, 음이온이 되거나 공유 결합. 준금속(계단선을 따라: B, Si, Ge, As, Sb, Te): 중간 성질, 반도체.

원자 번호 17인 원소는 이다. 에 있는 이고, 원자량은 .

SIMULATOR

주기율표 둘러보기

색으로 나타낼 성질

원소를 누르면 원자 번호·원자량·분류가 나온다. 해볼 것: ① 금속·비금속·준금속의 경계(B–Si–Ge–As–Sb–Te 계단선)를 찾아라. ② 1족과 17족 원소를 몇 개 눌러 보고, 반응성이 큰 두 족이 서로 반대편 끝에 있음을 확인하라. ③ ‘원자량’으로 바꾸면 원자량이 원자 번호를 따라 거의 단조롭게 증가하지만 Ar(39.95)–K(39.10)처럼 거꾸로 된 곳이 있다. 멘델레예프는 이런 곳에서 원자량보다 성질을 우선했다. ④ 도전: ‘원소 찾기’를 누르면 “3주기 할로젠”처럼 조건이 나온다. 맞는 원소를 눌러 연속 정답을 쌓아 보라.

분자와 이온

두 개 이상의 원자가 공유 결합으로 단단히 묶인 입자를 분자(molecule)라 한다. H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂ 일곱 원소는 상온에서 이원자 분자로 존재한다. 분자는 대개 비금속 원소끼리 만든다.

분자식 (molecular formula)

분자 하나에 든 원자의 실제 개수. 과산화 수소 H₂O₂, 포도당 C₆H₁₂O₆.

실험식 (empirical formula)

원자 수의 가장 간단한 정수비. H₂O₂ → HO, C₆H₁₂O₆ → CH₂O. 3장의 원소 분석이 주는 것은 실험식이다.

구조식 (structural formula)

어떤 원자가 어떤 원자와 결합했는지까지 보인다. 에탄올 CH₃CH₂OH와 다이메틸 에터 CH₃OCH₃는 분자식(C₂H₆O)이 같지만 다른 물질이다.

원자가 전자를 잃거나 얻으면 전하를 띤 이온(ion)이 된다. 전자를 잃으면 양이온(cation), 얻으면 음이온(anion)이다. 주족 원소는 가장 가까운 비활성 기체와 전자 수가 같아지는 쪽으로 이온이 된다: Na → Na⁺(Ne와 같은 10개), Mg → Mg²⁺, Al → Al³⁺, O → O²⁻, Cl → Cl⁻. 전이 금속은 Fe²⁺·Fe³⁺, Cu⁺·Cu²⁺처럼 여러 전하를 가질 수 있다.

주족 원소의 흔한 이온 전하. 족 번호로 전하를 예측할 수 있다. 전이 금속의 전하는 외워야 하거나 화합물의 전하 균형으로 알아낸다.

양이온과 음이온은 정전기적 인력으로 뭉쳐 이온 화합물(ionic compound)을 만든다. 이온 화합물은 분자가 아니라 수많은 이온이 3차원으로 쌓인 결정이므로, 화학식은 늘 전하가 0이 되는 가장 간단한 비(실험식)로 쓴다. 흔히 금속 + 비금속이면 이온 화합물, 비금속끼리면 분자 화합물이다.

분자 화합물은 독립된 분자들의 모임이지만, 이온 화합물에는 "NaCl 분자"가 없다. 양이온과 음이온이 번갈아 쌓인 결정에서 개수의 비만 의미가 있으므로 가장 간단한 정수비(화학식 단위)로 쓴다.

전하 균형으로 화학식 쓰기

양이온 전하의 크기를 음이온의 아래첨자로, 음이온 전하의 크기를 양이온의 아래첨자로 엇갈려 쓴 뒤 약분한다. Al³⁺ + O²⁻ → Al₂O₃. Ca²⁺ + O²⁻ → Ca₂O₂ → CaO. 다원자 이온이 둘 이상이면 괄호로 묶는다: Ca₃(PO₄)₂.

CHALLENGE이온 화합물 조립. 위 상자의 양이온·음이온을 끌어 아래 결정 칸에 넣어라(칸 밖으로 끌어내면 빠진다). 전하 합이 0이 되는 가장 적은 개수를 찾으면 화학식이 완성된다.

Al³⁺와 SO₄²⁻로 된 이온 화합물에서 양이온 : 음이온의 개수 비는?

최소공배수 6: Al³⁺ 2개(+6)와 SO₄²⁻ 3개(−6) → Al₂(SO₄)₃. 아래에서 두 이온을 골라 블록 길이로 확인하라.

SIMULATOR

이온 화합물 만들기: 전하 균형과 이름

양이온 음이온 이름 가리기 (스스로 맞혀 보기)

화학식—

이름—

이온 수 비 (양 : 음)—

화학식량—

왼쪽 블록 하나가 이온 하나이며, 블록 길이가 전하의 크기다. 양전하 줄과 음전하 줄의 길이가 같아지는 가장 적은 개수가 화학식의 아래첨자다. 해볼 것: ① Al³⁺와 SO₄²⁻처럼 전하가 3과 2인 조합은 최소공배수 6을 맞추어야 한다. ② Fe²⁺와 Fe³⁺를 같은 음이온과 짝지어 이름에 로마 숫자가 왜 필요한지 확인하라. ③ ‘이름 가리기’를 켜고 화학식만 보고 이름을 말해 본 뒤 확인하라.

다음 이온 쌍이 만드는 화합물의 화학식을 써라. (a) Al³⁺, O²⁻ (b) Ca²⁺, PO₄³⁻ (c) NH₄⁺, SO₄²⁻ (d) Fe³⁺, OH⁻

풀이 보기

전략 전하의 최소공배수만큼 양전하와 음전하를 맞춘다. 다원자 이온은 개수가 2 이상이면 괄호.

풀이 (a) 최소공배수 6: 2Al³⁺ + 3O²⁻ → Al₂O₃. (b) 6: 3Ca²⁺ + 2PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂. (c) 2: 2NH₄⁺ + SO₄²⁻ → (NH₄)₂SO₄. (d) 3: Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃.

Al₂O₃, Ca₃(PO₄)₂, (NH₄)₂SO₄, Fe(OH)₃

검토 각각 양전하 합: +6, +6, +2, +3 = 음전하 합의 크기. 괄호 없이 CaPO₄₂로 쓰면 전혀 다른 뜻이 된다.

무기 화합물의 명명법

화합물이 수천만 가지이니 이름 짓는 규칙이 필요하다. 우리말 이름은 영어와 순서가 반대로 음이온을 먼저, 양이온을 나중에 읽는다(sodium chloride → 염화 소듐).

첫 질문: 금속 원소(또는 암모늄 이온)가 들어 있는가?
그렇다면 이온 화합물이다. 전하가 여러 가지인 금속(Fe, Cu, Pb, Mn …)은 음이온 전하로 금속 전하를 역산해 로마 숫자로 쓴다.
금속이 없고 H로 시작하는 물질이 물에 녹아 있으면 산이다. 음이온 이름의 끝을 바꿔 읽는다.
나머지(비금속끼리)는 분자 화합물이다. 전하로 개수를 정할 수 없으므로 수 접두사를 쓴다.

명명법 흐름도. 이름을 붙이기 전에 화합물의 종류부터 판단한다 — 이온 화합물에는 수 접두사를, 분자 화합물에는 로마 숫자를 쓰지 않는다.

이온 화합물

양이온: 금속 원소 이름 그대로(소듐, 칼슘, 알루미늄). 여러 전하가 가능한 금속은 전하를 로마 숫자로 붙인다: 철(II), 철(III), 구리(I), 구리(II). 다원자 양이온: NH₄⁺ 암모늄.
단원자 음이온: 원소 이름에 "-화"를 붙인다: F⁻ 플루오린화, Cl⁻ 염화, Br⁻ 브로민화, I⁻ 아이오딘화, O²⁻ 산화, S²⁻ 황화, N³⁻ 질화, H⁻ 수소화.
다원자 음이온: 산소를 포함한 옥소 음이온은 "-산"으로 끝나며, 산소가 하나 적으면 "아-", 둘 적으면 "하이포아-", 하나 많으면 "과-"를 붙인다.

이온	이름	이온	이름
OH⁻	수산화 이온	CN⁻	사이안화 이온
NO₃⁻ / NO₂⁻	질산 / 아질산 이온	SO₄²⁻ / SO₃²⁻	황산 / 아황산 이온
CO₃²⁻ / HCO₃⁻	탄산 / 탄산수소 이온	PO₄³⁻ / HPO₄²⁻ / H₂PO₄⁻	인산 / 인산수소 / 인산이수소 이온
HSO₄⁻	황산수소 이온	CH₃COO⁻	아세트산 이온
MnO₄⁻	과망가니즈산 이온	CrO₄²⁻ / Cr₂O₇²⁻	크로뮴산 / 다이크로뮴산 이온
ClO₄⁻	과염소산 이온	ClO₃⁻	염소산 이온
ClO₂⁻	아염소산 이온	ClO⁻	하이포아염소산 이온
O₂²⁻	과산화 이온	NH₄⁺ / H₃O⁺	암모늄 / 하이드로늄 이온

중심 원소

산소 원자 수

MINI LAB옥소 음이온 사다리. 기준이 되는 “-산” 이온(ClO₃⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻, PO₄³⁻)에서 산소가 하나 줄면 “아-”, 둘 줄면 “하이포아-”, 하나 늘면 “과-”가 붙는다. 산소 수가 바뀌어도 전하는 그대로다. 산소 원자를 눌러 하나 빼거나 빈 자리를 눌러 더할 수도 있다.

산

물에 녹아 H⁺를 내는 화합물을 산이라 한다(4장, 15장). 산의 이름은 음이온 이름에서 나온다.

"-화" 음이온(산소 없음) → "-화 수소산": HCl(aq) 염화 수소산(염산), HBr(aq) 브로민화 수소산, HCN(aq) 사이안화 수소산.
"-산" 음이온 → "-산": HNO₃ 질산, H₂SO₄ 황산, H₃PO₄ 인산, HClO₄ 과염소산, CH₃COOH 아세트산.
"아-산" 음이온 → "아-산": HNO₂ 아질산, H₂SO₃ 아황산, HClO₂ 아염소산, HClO 하이포아염소산.

이원 분자 화합물

비금속 두 가지로 된 분자 화합물은 전하로 개수를 정할 수 없으므로 그리스 수 접두사로 원자 수를 직접 말한다: 일(1), 이(2), 삼(3), 사(4), 오(5), 육(6), 칠(7), 팔(8), 구(9), 십(10). 주기율표에서 더 오른쪽 위(전기음성도가 큰) 원소를 "-화"로 먼저 읽는다. 앞 원소가 하나뿐이면 "일"을 생략한다.

화학식	이름	화학식	이름
CO	일산화 탄소	CO₂	이산화 탄소
N₂O	일산화 이질소	N₂O₅	오산화 이질소
CCl₄	사염화 탄소	SF₆	육플루오린화 황
PCl₅	오염화 인	P₄O₁₀	십산화 사인

질소 원자 2개와 산소 원자 5개로 된 분자 의 이름은 , 몰 질량은 이다.

(a) CuCl₂ (b) KMnO₄ (c) Fe₂(SO₄)₃ 의 이름을 쓰고, (d) 질산 암모늄 (e) 삼산화 황 (f) 아황산 의 화학식을 써라.

풀이 보기

전략 먼저 이온 화합물인지(금속 또는 NH₄⁺ 포함), 분자 화합물인지, 산인지 판단한다. 전이 금속은 음이온 전하로부터 금속 전하를 역산한다.

풀이 (a) Cl⁻ 두 개 → Cu²⁺ → 염화 구리(II). (b) K⁺ + MnO₄⁻ → 과망가니즈산 포타슘. (c) SO₄²⁻ 세 개 = −6, Fe 두 개가 +6 → Fe³⁺ → 황산 철(III). (d) NH₄⁺ + NO₃⁻ → NH₄NO₃. (e) 비금속끼리, "삼" = 3 → SO₃. (f) 아황산 이온 SO₃²⁻에 H⁺ 두 개 → H₂SO₃.

(a) 염화 구리(II) (b) 과망가니즈산 포타슘 (c) 황산 철(III) (d) NH₄NO₃ (e) SO₃ (f) H₂SO₃

검토 이온 화합물 이름에는 수 접두사를 쓰지 않는다("이염화 구리"가 아니다). 분자 화합물에는 로마 숫자를 쓰지 않는다.

핵심 정리

질량 보존·일정 성분비·배수 비례 법칙은 돌턴 원자설(원소는 원자로 되어 있고, 반응은 원자의 재배열)로 설명된다.
톰슨은 전자와 $e/m$을, 밀리컨은 기본 전하 $e = 1.602\times10^{-19}$ C를, 러더퍼드는 질량과 양전하가 몰린 작은 핵을 발견했다.
Z = 양성자 수, A = 양성자 + 중성자 수, 전자 수 = Z − 전하. 동위원소는 Z가 같고 A가 다르다.
원자량은 동위원소 질량의 존재비 가중 평균 $\bar M = \sum f_i m_i$이며 질량 분석기로 잰다.
주기율표: 족(세로)·주기(가로), 금속(왼쪽)·비금속(오른쪽 위)·준금속(계단선). 주족 원소의 이온 전하는 족으로 예측한다.
이온 화합물의 화학식은 전하의 합이 0인 가장 간단한 비, 이름은 "음이온 + 양이온"(필요하면 로마 숫자). 분자 화합물은 수 접두사, 산은 "-화 수소산 / -산 / 아-산".

연습문제

원자 번호는 주기율표(부록 A)를 참고한다. 수치 답은 ±1% 이내면 정답이다. 이름·화학식을 쓰는 문제는 띄어쓰기를 무시하며, 아래첨자는 숫자 그대로(예: Ca(NO3)2) 써도 된다.

$^{65}\text{Zn}^{2+}$ 이온의 양성자·중성자·전자 수를 구하라. (Zn: Z = 30)

p = 30, n = 65 − 30 = 35, e = 30 − 2 = 28.

²³⁵U와 ²³⁸U가 서로 같은 것은?

동위원소는 원자 번호(양성자 수)가 같고 중성자 수가 다르다. 그래서 질량수와 질량이 다르다.

양성자 26개, 중성자 30개인 원자의 핵종 기호를 써라(예: 12C).

Z = 26은 철(Fe), A = 26 + 30 = 56 → ⁵⁶Fe. 자연계 철의 91.75%를 차지하는 동위원소다.

인산 암모늄 (NH₄)₃PO₄ 화학식 단위 하나에는 원자가 모두 몇 개 있는가?

N 3 + H 12 + P 1 + O 4 = 20개.

마그네슘의 동위원소는 ²⁴Mg(23.9850 u, 78.99%), ²⁵Mg(24.9858 u, 10.00%), ²⁶Mg(25.9826 u, 11.01%)이다. 마그네슘의 원자량은?

$0.7899(23.9850) + 0.1000(24.9858) + 0.1101(25.9826) = 18.946 + 2.499 + 2.861 = 24.31$ u.

갈륨(원자량 69.723)은 ⁶⁹Ga(68.9256 u)와 ⁷¹Ga(70.9247 u)로 되어 있다. ⁶⁹Ga의 존재비(%)는?

⁶⁹Ga의 분율을 x라 하면 68.9256x + 70.9247(1 − x) = 69.723.

$x = (70.9247 - 69.723)/(70.9247 - 68.9256) = 1.2017/1.9991 = 0.601$ → 60.1%.

질소와 산소의 두 화합물에서, 질소 1.000 g과 결합한 산소는 화합물 A에서 0.571 g, 화합물 B에서 2.284 g이다. B와 A의 산소 질량비는? A가 N₂O라면 B는 무엇일 수 있는가?

2.284/0.571 = 4.00. 같은 수의 N 원자당 B에는 산소가 4배 → N₂O의 4배인 N₂O₄ 또는 같은 비의 NO₂.

기름방울의 전하가 $6.41\times10^{-19}$, $9.61\times10^{-19}$, $1.602\times10^{-18}$ C였다. 이 자료와 맞는 가장 큰 기본 전하는? 마지막 방울에는 전자가 몇 개 붙어 있는가?

세 값의 비 6.41 : 9.61 : 16.02 = 4 : 6 : 10 → 기본 전하 $6.41\times10^{-19}/4 = 1.60\times10^{-19}$ C. 마지막 방울은 10개. (자료만으로는 3.20 × 10⁻¹⁹ C의 절반, 곧 1.60 × 10⁻¹⁹ C 아래로 더 작은 단위를 배제할 수는 없다 — 그래서 밀리컨은 수천 개를 쟀다.)

질산 칼슘의 화학식을 써라.

Ca²⁺ 하나와 NO₃⁻ 두 개 → Ca(NO₃)₂.

Fe₂(SO₄)₃의 이름을 써라.

SO₄²⁻ 세 개의 전하 합은 −6이다. Fe 두 개가 +6을 나눠 가진다.

Fe³⁺ → 황산 철(III).

N₂O₅의 이름을 써라.

비금속끼리의 분자 화합물이므로 수 접두사: O 5개 → 오산화, N 2개 → 이질소. 오산화 이질소.

HClO₂ 수용액의 이름을 써라.

ClO₂⁻는 아염소산 이온(염소산 ClO₃⁻보다 O가 하나 적음) → 산은 아염소산.

다음 중 잘못된 화학식은?

Ca²⁺는 Cl⁻ 두 개와 결합해야 전하가 0이 된다: CaCl₂.

운동 에너지 5.0 MeV인 α 입자(전하 +2e)가 금 원자핵(Z = 79)에 정면으로 다가갈 때 가장 가까이 접근하는 거리는? 처음 운동 에너지가 모두 전기적 위치 에너지 $kq_1q_2/r$로 바뀐다고 하고, $ke^2 = 1.440$ MeV·fm을 써라.

$d_0 = \dfrac{k(2e)(79e)}{E} = \dfrac{(1.440)(2)(79)}{5.0} = 45.5$ fm. 금 핵의 반지름(약 7 fm)보다 크므로 α 입자는 핵에 닿지 않고, 핵을 점전하로 본 러더퍼드 공식이 잘 맞는다.

금 원자의 반지름은 144 pm, 금 원자핵의 반지름은 약 7.0 fm이다. 원자 부피 가운데 핵이 차지하는 비율은?

$(r_\text{핵}/r_\text{원자})^3 = (7.0\times10^{-15}/1.44\times10^{-10})^3 = (4.86\times10^{-5})^3 = 1.15\times10^{-13}$. 원자 질량의 99.97% 이상이 이 작은 부피에 있으므로 핵의 밀도는 약 $10^{14}$ g/cm³에 이른다.

톰슨 실험에서 전기장 $2.00\times10^4$ V/m와 자기장 $1.50\times10^{-3}$ T를 함께 걸었더니 음극선이 휘지 않고 곧게 나아갔다. 전자의 속력은?

빔이 곧으면 전기력 $eE$와 자기력 $evB$가 같다.

$eE = evB$ → $v = E/B = (2.00\times10^4)/(1.50\times10^{-3}) = 1.33\times10^7$ m/s(빛의 속력의 약 4.4%).

질량 $3.27\times10^{-15}$ kg인 기름방울이 간격 1.00 cm, 전압 500 V인 두 판 사이에 멈춰 있다. 방울의 전하와, 붙어 있는 전자 수는? (g = 9.80 m/s², e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C)

$qE = mg$, $E = V/d$.

$q = \dfrac{mgd}{V} = \dfrac{(3.27\times10^{-15})(9.80)(0.0100)}{500} = 6.41\times10^{-19}$ C, $6.41\times10^{-19}/1.602\times10^{-19} = 4.00$ → 전자 4개.

황 1.000 g과 결합한 산소의 질량이 SO₂에서 0.998 g, SO₃에서 1.497 g이다. SO₃와 SO₂의 산소 질량비는? (원자량 S 32.06, O 15.999)

1.497/0.998 = 1.50 = 3 : 2 — 간단한 정수비다. 황 원자 하나당 산소 원자가 3개 대 2개이기 때문이다.

HBrO 수용액의 이름을 써라. (BrO₃⁻는 브로민산 이온이다.)

BrO⁻는 BrO₃⁻보다 산소가 둘 적다.

BrO₃⁻ 브로민산 → BrO₂⁻ 아브로민산 → BrO⁻ 하이포아브로민산 이온. 산은 하이포아브로민산.

개념 확인 퀴즈

러더퍼드 실험에서 대부분의 α 입자가 금박을 곧게 통과했다는 사실이 말해 주는 것은?

곧게 지나간 입자들은 핵 근처를 지나지 않았다. 드물게 일어난 큰 각도 산란은 반대로 양전하가 작은 핵에 몰려 있음을 말해 준다.

¹⁶O²⁻와 전자 수가 같은 것은?

O²⁻는 8 + 2 = 10개, Na⁺는 11 − 1 = 10개. 둘 다 Ne와 같은 전자 수(등전자)다.

붕소의 원자량은 10.81이다. 동위원소가 ¹⁰B와 ¹¹B뿐이라면 더 많은 것은?

평균 10.81이 11에 더 가까우므로 ¹¹B가 많다(실제로 약 80%).

PCl₃의 이름으로 옳은 것은?

비금속끼리의 분자 화합물은 수 접두사를 쓰고, 앞 원소가 하나면 "일"을 생략한다. 로마 숫자는 이온 화합물의 금속에 쓴다.

다음 중 분자가 아니라 이온의 집합으로 된 물질은?

금속(Mg)과 비금속(Cl)의 화합물은 Mg²⁺와 Cl⁻로 된 이온 결정이다. 나머지는 비금속끼리의 분자 화합물이다.