[화학] 원자(Atoms)와 분자(Molecules)

원자(原子, atom)는 물질을 구성하는 기본 입자이며, 해당 원소의 특성을 가진다. 원소는 화학 결합할 수 있는 원소의 가장 작은 입자이다. 물질이 원자로 구성되어 있다는 가설은 기원전 5세기에 그리스 철학자 레우키포스와 데모크리토스에게 유래한다. 하지만 19세기 초가 되어서야 과학에 관심이 많았던 영국 교사 존 돌턴(John Dalton, 1766~1844)이 정량적 측정으로 이 가설을 뒷받침했다. 그 이후로 반복된 실험으로 이 가설의 많은 측면이 확인되었으며, 화학의 중심 이론 중 하나가 되었다. 돌턴의 원자 이론은 여전히 사용하지만 약간 수정되었다.

 

원자는 너무 작아서 크기를 상상하기 어렵다. 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 작은 것 중 하나는 거미줄의 한 가닥이다. 이 가닥은 지름이 약 1/10,000센티미터(0.0001cm)이다. 한 가닥의 단면은 현미경 없이는 거의 볼 수 없지만 원자 규모로는 거대하다. 거미줄의 단일 탄소 원자는 약 0.000000015cm의 지름을 가지며, 가닥의 지름에 걸쳐 있는데 약 7,000개의 탄소 원자가 필요하다. 이것을 원근법으로 보자면, 탄소 원자가 동전 크기라면 한 가닥의 단면은 축구장보다 클 것이며, 그것을 덮는 데 약 1억 5천만 개의 탄소 원자 ‘다임(dimes)’이 필요할 것이다. 

 

원자는 너무 가벼워서 질량도 상상하기 어렵다. 10억 개의 납 원자(원자 1,000,000,000개)의 무게는 약 3×10^-13그램이며, 그 질량은 너무 가벼워서 세계에서 가장 민감한 저울로도 무게를 잴 수 없다. 무게를 달려면 300,000,000,000,000,000개 이상의 납 원자(300조 또는 3×10¹⁴개)가 필요하며, 무게는 0.0000001그램에 불과하다.

 

여러 가지 원소(element)

 

개별 원자의 모음을 찾는 것은 드물다. 헬륨, 네온, 아르곤 기체와 같은 몇 가지 원소만이 서로 독립적으로 움직이는 개별 원자의 집합체로 구성되어 있다. 그림과 같이 수소, 질소, 산소 및 염소가스와 같은 다른 원소는 원자 쌍으로 구성된 단위로 구성된다. 원소의 한 형태는 4개의 인 원자로 구성된 단위로 구성된다. 황 원소는 다양한 형태로 존재하며, 그중 하나는 8개의 황 원자로 구성된 단위로 구성된다. 이러한 단위를 분자(Molecules)라고 한다. 분자는 화학 결합이라고 하는 강한 힘으로 결합한 두 개 이상의 원자로 구성된다. 분자 속의 원자는 하나의 단위로 움직이는데, 마치 식스팩에 들어 있는 탄산음료 캔이나 하나의 열쇠고리에 여러 개의 열쇠가 함께 연결된 것과 매우 흡사하다. 분자는 수소, 산소 및 황 원소에서 발견되는 분자에서와 같이 두 개 이상의 같은 원자로 구성되거나 물에서 발견되는 분자에서와 같이 두 개 이상의 다른 원자로 구성될 수 있다. 각 물 분자는 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자를 포함하는 단위이다. 각 포도당 분자는 탄소 원자 6개, 수소 원자 12개, 산소 원자 6개를 포함하는 단위이다. 원자와 마찬가지로 분자는 믿을 수 없을 정도로 작고 가볍다. 일반 물 한 잔을 지구 크기로 확대하면 그 안에 있는 물 분자는 골프공 크기만큼 커질 것이다.

 

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