뿌리학습 · 고등 과학탐구
원소의 생성과 주기성
우주가 시작될 때 만들어진 원소는 가장 단순한 수소와 헬륨뿐이었다. 지금 주기율표를 채우고 있는 나머지 원소들은 그 뒤에 별 안에서 만들어졌다. 그 과정을 이해하려면 별에 작용하는 두 힘부터 알아야 한다.
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개념 정리
하나는 중력이다. 별의 물질을 중심으로 끌어당겨 안으로 수축시킨다. 다른 하나는 내부 압력이다. 핵융합으로 에너지가 나오면서 바깥으로 밀어내는 힘이다. 별에서 일어나는 거의 모든 변화는 이 둘 중 어느 쪽이 우세한지로 설명된다.
우주에 흩어져 있던 기체와 먼지가 어딘가에 조금 더 많이 모이면 그곳의 질량이 커지고 중력도 커진다. 중력이 커지면 주변 물질을 더 끌어당기고, 그러면 질량이 더 커진다. 이 되먹임이 반복되며 물질이 뭉쳐 원시별이 된다. 다만 원시별은 아직 별이 아니다. 수축하며 뜨거워지고 있을 뿐, 핵융합은 일어나지 않는다. 온도가 충분히 올라가 수소 핵융합이 시작되는 순간부터 비로소 별이다.
이 단계의 별을 주계열성이라 한다. 중심에서 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합이 일어나고, 이때 나오는 내부 압력이 중력과 균형을 이뤄 별의 크기가 일정하게 유지된다. 우주에 수소가 가장 흔하므로 이 단계가 별의 일생에서 가장 길다.
중심의 수소를 다 쓰면 핵융합이 멈춘다. 밀어내는 힘이 사라지니 중력이 우세해져 중심부가 수축하고, 수축하면 열이 나 온도가 올라간다. 온도가 충분히 오르면 이번에는 헬륨이 탄소로 바뀌는 핵융합이 시작된다. 동시에 중심 바깥쪽 수소층도 뜨거워져 그곳에서 수소 핵융합이 일어나고, 그 힘으로 바깥층이 크게 부풀어 오른다. 이렇게 중심부는 수축하고 바깥층은 팽창한 별이 적색거성이다. 하나의 별 안에서 서로 반대되는 변화가 동시에 일어난다는 점이 중요하다.
여기서부터 별의 운명이 질량에 따라 갈린다. 태양 정도의 별은 헬륨을 다 쓰면 더 높은 온도를 만들지 못한다. 중심부는 작게 수축해 백색왜성이 되고 바깥층은 흩어져 우주로 퍼진다. 반면 태양보다 훨씬 무거운 별은 헬륨이 소진된 뒤에도 중심 온도가 충분히 높아 핵융합이 계속된다. 탄소에서 산소로, 산소에서 규소로, 규소에서 철로 이어진다.
그런데 철에서 멈춘다. 철보다 무거운 원소를 만들려면 별이 낼 수 없는 온도가 필요하기 때문이다. 핵융합이 멈추면 밀어내는 힘이 사라지고, 강한 중력에 급격히 수축하다 결국 폭발한다. 이것이 초신성 폭발이다. 이 폭발의 엄청난 에너지 속에서 금이나 우라늄처럼 철보다 무거운 원소들이 순식간에 만들어진다. 그러니 무거운 원소가 별 안의 평범한 핵융합에서 나왔다고 말하면 틀린다.
폭발로 흩어진 물질은 다시 우주를 떠도는 재료가 되어 다음 별의 씨앗이 된다. 별이 태어나고 죽기를 거듭할수록 우주에는 무거운 원소가 늘어난다.
이렇게 만들어진 원소들이 주기율표를 채운다. 그런데 주기율표는 그저 번호순 목록이 아니라 성질의 규칙이 드러나도록 배열된 표다. 그 규칙을 읽으려면 원자 안에서 전자가 어떻게 자리 잡는지를 봐야 한다.
보어는 전자가 원자핵 주위의 여러 궤도를 돈다고 보았고, 이 궤도를 전자 껍질이라 부른다. 안쪽 껍질일수록 에너지가 낮아 안정하므로 전자는 안쪽부터 채워진다. 다만 껍질마다 채울 수 있는 최대 개수가 정해져 있어서, 첫 껍질은 2개, 둘째 껍질은 8개까지다. 안정한 자리라고 무한정 몰릴 수는 없다는 뜻이다.
이 배치를 주기율표와 견주면 두 가지 규칙이 보인다. 가로줄인 주기는 전자 껍질의 수를 뜻하고, 세로줄인 족은 가장 바깥 껍질의 전자 수를 뜻한다. 가장 바깥 껍질의 전자 중 결합에 참여하는 것을 원자가 전자라 한다. 같은 족의 원소들이 비슷한 성질을 보이는 이유가 여기 있다. 원자가 전자의 수가 같기 때문이다. 결합에 쓰이는 것이 바로 이 전자이므로, 그 수가 같으면 결합하는 방식도 닮는다.
한 가지 구분해 둘 것이 있다. 가장 바깥에 있는 전자를 최외각 전자라 하고, 그중 실제로 결합에 참여하는 것을 원자가 전자라 한다. 대부분의 원소에서는 두 값이 같다. 18족 원소는 다르다. 최외각 전자는 헬륨이 2개, 나머지는 8개로 분명히 존재하지만 이미 껍질이 다 차 있어 결합에 쓰이지 않으므로 원자가 전자는 0으로 센다. 최외각 전자가 없다는 뜻이 아니라 결합에 참여하지 않는다는 뜻이다.
끝으로 보어 모형은 실제 모습이 아니라 설명을 위한 도구다. 전자는 정해진 궤도를 원운동하지 않고 어디에 있을지 확률로만 말할 수 있다. 그래도 이 모형이 유용한 것은 원소들이 왜 그런 방식으로 결합하는지를 가장 간단하게 보여주기 때문이다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [10통과1-02-03]세상을 구성하는 원소들의 성질이 주기성을 나타내는 현상을 통해 자연의 규칙성을 도출하고, 지구와 생명체를 구성하는 주요 원소들이 결합을 형성하는 이유를 해석할 수 있다.
자주 하는 착각
별의 진화와 원소의 생성
- 원시별에서 이미 핵융합이 일어난다고 본다. 별의 모습을 갖추었으니 별의 일을 하고 있으리라 여기기 때문이다. 원시별은 아직 중력으로 뭉치고 있을 뿐이며, 일정 온도에 도달해야 핵융합이 시작되고 그때부터 별이다.
- 별의 크기 변화를 한 방향으로만 이해한다. 수축하거나 팽창하거나 둘 중 하나로 기억하기 때문이다. 별에는 중력과 내부 압력이 반대 방향으로 작용하고, 어느 쪽이 우세한지에 따라 수축과 팽창이 번갈아 일어난다.
- 적색거성에서 중심부와 바깥층이 같은 방향으로 변한다고 본다. 하나의 천체이니 전체가 같이 움직인다고 여기기 때문이다. 중심부는 수축하며 뜨거워지고 바깥층은 팽창한다. 상반된 변화가 동시에 일어난다.
- 모든 별이 같은 경로로 진화한다고 본다. 하나의 순서로 배우기 때문이다. 질량이 경로를 가른다.
- 철보다 무거운 원소도 별 안의 핵융합으로 만들어진다고 본다. 핵융합이 원소를 만든다는 사실만 기억하기 때문이다. 핵융합은 철에서 멈추고, 그보다 무거운 원소는 초신성 폭발 과정에서 만들어진다.
보어 모형과 주기율표의 주기성
- 전자가 안쪽 껍질에 모두 몰린다고 본다. 에너지가 낮은 쪽이 안정하다는 원리만 적용하기 때문이다. 껍질마다 채울 수 있는 최대 개수가 있어 첫 껍질은 2개, 둘째 껍질은 8개까지다.
- 최외각 전자와 원자가 전자를 같은 것으로 쓴다. 대부분의 원소에서 두 값이 일치해 차이가 드러나지 않기 때문이다. 18족에서 갈린다. 최외각 전자는 헬륨 2개, 나머지 8개로 존재하지만 결합에 쓰이지 않으므로 원자가 전자는 0으로 센다. 전자가 없는 것과 결합에 쓰이지 않는 것은 다르다.
- 보어 모형이 전자의 실제 운동을 그대로 나타낸다고 이해한다. 그림이 구체적이기 때문이다. 실제 전자는 정해진 궤도를 돌지 않고 확률적으로 분포한다. 모형은 설명을 위한 도구다.
- 족 번호가 3에서 13으로 건너뛰는 것을 오류로 본다. 일부만 떼어낸 주기율표를 보기 때문이다. 그 사이에 다른 원소들이 있다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
원시별은 중력으로 뭉치는 과정에서 이미 핵융합을 시작한다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
별의 모습을 갖추고 있으면 별이 하는 일, 즉 핵융합도 이미 일어나고 있을 것이라고 생각하기 쉬워요. 하지만 원시별은 아직 중력으로 가스와 먼지가 뭉쳐지는 단계에 있을 뿐이에요. 실제로는 뭉치는 과정이 충분히 진행되어 내부 온도가 핵융합이 가능한 수준까지 올라가야 핵융합이 시작되고, 그 시점부터 비로소 별로 볼 수 있어요.
별은 중력과 내부 압력 중 어느 쪽이 우세한지에 따라 수축과 팽창이 번갈아 일어난다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
별의 크기 변화를 배울 때 '수축' 또는 '팽창' 중 인상에 남은 한쪽만 기억하기 쉬워요. 실제로는 별 내부에서 중력과 내부 압력이 서로 반대 방향으로 작용하고 있어요. 어느 힘이 더 우세하냐에 따라 별이 수축하기도 하고 팽창하기도 하면서 크기가 변해요.
적색거성이 될 때 중심부와 바깥층은 같은 방향으로 함께 팽창한다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
하나의 천체이기 때문에 중심부와 바깥층이 같은 방향으로 움직인다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 적색거성 단계에서 중심부와 바깥층은 서로 반대되는 변화를 겪는데, 중심부는 수축하면서 온도가 높아지고 바깥층은 오히려 크게 팽창해요. 같은 천체 안에서 이렇게 상반된 변화가 동시에 일어난다는 점이 핵심이에요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반