뿌리학습 · 중학 과학탐구
원자의 구성과 주기율표
우리 주변의 모든 물질은 원자라는 아주 작은 입자로 이루어져 있다. 그래서 원자를 물질을 이루는 기본 입자라고 부른다. 물질을 들여다볼 때는 두 가지를 따로 세어야 한다. 원자가 몇 개인지, 그리고 원자의 종류가 몇 가지인지다. 이 둘을 섞으면 다음 개념이 흔들린다.
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개념 정리
한 종류의 원자로만 이루어진 물질을 원소라고 한다. 원자가 여섯 개든 백 개든, 종류가 하나면 원소다. 두 종류 이상의 원자로 이루어진 물질은 화합물이라고 한다. 화합물을 분해하면 원소가 되고, 원소는 더 이상 다른 성분으로 쪼갤 수 없다. 지금까지 발견된 원소는 118가지이며 모두 주기율표에 정리되어 있다.
그렇다면 원소마다 성질이 다른 이유는 무엇일까. 답은 원자의 속을 들여다보면 나온다. 원자의 중심에는 플러스 전하를 띤 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자가 뭉쳐 있고, 이 덩어리를 원자핵이라 한다. 그 주위를 마이너스 전하를 띤 전자가 돈다. 원자의 종류를 결정하는 것은 양성자의 개수다. 양성자가 하나면 수소, 둘이면 헬륨, 셋이면 리튬이다. 양성자 수가 곧 그 원소의 신분증인 셈이고, 이 수에 붙인 번호가 원자 번호다.
여기서 두 가지를 분명히 해둘 필요가 있다. 첫째, 원자 안에서 양성자 수와 전자 수는 언제나 같다. 플러스와 마이너스의 양이 같으니 서로 상쇄되어 원자 전체는 전하를 띠지 않는다. 이것을 전기적으로 중성이라고 한다. 양성자와 전자가 각각 전하를 갖는다는 것과, 원자 전체가 중성이라는 것은 서로 모순되지 않는다. 둘째, 원자핵은 전자보다 훨씬 무거워 중심에 머물러 있고 움직이는 쪽은 전자다. 그래서 원자가 전자를 잃거나 얻어 균형이 깨지는 일은 있어도, 원자핵이 빠져나가는 일은 없다. 참고로 수소 원자만은 중성자를 갖지 않는다.
주기율표는 이 원자 번호 순서대로 원소를 늘어놓은 표다. 그냥 번호순으로 나열한 것만은 아니고, 비슷한 성질을 가진 원소들이 같은 자리에 오도록 배열되어 있다. 세로줄을 족이라 하고 1족부터 18족까지 있다. 가로줄은 주기라 하고 1주기부터 7주기까지 있다. 세로가 족, 가로가 주기다. 이름과 방향을 함께 외워야 한다.
중요한 것은 성질이 비슷한 원소들이 같은 족, 즉 같은 세로줄에 모여 있다는 점이다. 예를 들어 1족 원소들은 금속인데도 무르고 물과 격렬하게 반응한다는 공통점이 있고, 18족 원소들은 다른 물질과 거의 반응하지 않고 안정하게 존재한다. 같은 가로줄에 있다고 해서 성질이 비슷한 것은 아니다.
마지막으로 원소를 기호로 쓰는 방법이다. 전 세계가 함께 쓰기 위해 각 원소를 알파벳 기호로 나타내기로 약속했다. 대부분은 이름의 첫 글자를 따서 한 글자로 쓰고, 첫 글자가 겹치는 원소들은 두 글자를 쓴다. 두 글자를 쓸 때 첫 글자는 대문자, 두 번째 글자는 반드시 소문자다. 다만 뒤에 오는 글자가 언제나 이름의 두 번째 글자인 것은 아니다. 이름의 다른 위치에서 글자를 가져온 원소도 있고, 기호가 영어가 아닌 라틴어 이름에서 온 원소도 있다. 그러니 기호는 규칙으로 추론할 것이 아니라 원소마다 확인해 외워야 한다.
원소 기호를 이용해 물질을 나타낸 것이 화학식이다. 쓰는 순서는 간단하다. 원자의 종류를 원소 기호로 쓰고, 그 개수를 오른쪽 아래에 작은 숫자로 붙인다. 개수가 하나면 숫자를 생략한다. 그리고 물질 자체가 여러 개일 때는 화학식 앞에 숫자를 붙인다. 아래에 붙는 숫자와 앞에 붙는 숫자는 뜻이 완전히 다르다. 아래 첨자는 그 물질 하나를 이루는 원자의 개수이고, 앞의 숫자는 그런 물질이 몇 개 있는지를 말한다. 이 구분은 나중에 화학 반응식을 다룰 때 다시 중요해진다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과11-01]원소와 화합물의 정의를 알고, 원소와 화합물을 화학식으로 표현할 수 있다.
- [9과11-02]원소를 구성하는 입자인 원자는 양성자, 중성자, 전자로 구성되며, 양성자의 수에 따라 원소의 종류가 달라짐을 입자 모형을 활용하여 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
원자의 구조
- 모든 원자가 중성자를 가진다고 본다. 양성자·중성자·전자가 한 묶음으로 소개되기 때문이다. 수소 원자는 중성자를 갖지 않는다.
- 원자가 전하를 띤다고 본다. 양성자와 전자가 각각 전하를 띤다는 사실이 원자 전체의 성질로 옮겨지기 때문이다. 두 전하의 양이 같아 상쇄되므로 원자는 중성이다. 이 구분이 서지 않으면 이온을 배울 때 더 크게 막힌다.
- 원자핵과 전자가 대등하게 움직인다고 본다. 그림에서 나란히 그려지기 때문이다. 원자핵은 무거워 중심에 머물고 전자만 움직인다. 그래서 이온이 될 때 이동하는 것도 전자뿐이다.
주기율표
- 가로줄을 족, 세로줄을 주기라고 뒤바꿔 쓴다. 두 용어를 방향과 연결하지 않고 이름만 외우기 때문이다. 세로가 족, 가로가 주기다.
- 같은 가로줄에 있으면 성질이 비슷하다고 판단한다. 4번의 혼동이 그대로 이어진 결과다. 성질이 비슷한 것은 같은 족, 즉 같은 세로줄이다.
원소 기호와 화학식
- 원자의 개수와 원자의 종류를 구분하지 않는다. 원소인지 화합물인지를 가르는 기준이 개수라고 오해하기 때문이다. 기준은 종류가 몇 가지인지다. 원자 여섯 개로 이루어졌어도 종류가 하나면 원소다.
- 두 글자 원소 기호를 모두 대문자로 쓰거나 두 번째를 대문자로 쓴다. 대소문자가 규칙이라는 인식이 없기 때문이다. 첫 글자는 대문자, 두 번째는 소문자다.
- 두 글자 기호는 항상 이름의 첫 두 글자라고 판단한다. 대부분이 그렇기 때문이다. 뒤 글자를 이름의 다른 위치에서 가져온 원소가 있고, 기호가 라틴어 이름에서 온 원소도 있다. 기호는 규칙으로 만들어내는 것이 아니라 확인해서 외우는 대상이다.
- 원자가 한 개일 때 아래 첨자 1을 적는다. 개수를 빠짐없이 적어야 한다고 여기기 때문이다. 1은 생략한다.
- 화학식 앞의 숫자와 아래 첨자를 같은 것으로 본다. 둘 다 숫자라 구분이 흐려지기 때문이다. 아래 첨자는 그 물질 하나에 든 원자의 개수이고, 앞의 숫자는 그 물질이 몇 개인지다. 이 구분은 나중에 화학 반응식 계수를 다룰 때 결정적으로 작용한다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
모든 원자는 양성자, 중성자, 전자를 반드시 하나씩 가지고 있다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
교과서에서 원자의 구성 입자를 양성자·중성자·전자를 함께 묶어 소개하다 보니, 세 입자가 항상 세트로 존재한다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 중성자가 없는 원자도 존재하는데, 대표적으로 수소 원자는 핵 안에 양성자 1개만 있고 중성자는 없어요. 따라서 모든 원자가 반드시 중성자를 가진다는 것은 사실이 아니에요.
원자는 양성자의 양전하와 전자의 음전하가 서로 같은 양으로 상쇄되어 전체적으로 중성이다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
양성자와 전자가 각각 전하를 띤다는 사실을 알게 되면, 그 성질이 원자 전체에도 그대로 적용된다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 원자 안에서 양성자의 수와 전자의 수가 같아서 두 전하가 정확히 상쇄되기 때문에 원자는 전하를 띠지 않는 중성 상태예요. 이 점을 이해해 두면, 나중에 전자를 잃거나 얻어서 전하를 띠게 되는 이온 개념을 배울 때도 훨씬 자연스럽게 이해할 수 있어요.
원자핵과 전자는 서로 대등하게 움직이며, 이온이 될 때 원자핵도 전자와 함께 이동한다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
원자를 나타낸 그림에서 원자핵과 전자가 나란히 그려지는 경우가 많아, 두 입자가 비슷하게 움직인다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 원자핵이 전자보다 훨씬 무거워 중심에 머물러 있고, 전자만 비교적 자유롭게 움직일 수 있어요. 그래서 원자가 이온이 될 때에도 이동하는 것은 전자뿐이에요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반