[ element ]
물질을 이루는 기본 성분으로, 화학적인 방법으로 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 성분을 말한다.
목차
원소, 원자, 분자의 구분
우리 주변을 이루는 물질은 물리적인 방법으로 분리할 수 없는 순물질과 2가지 이상의 순물질로 분리 가능한 혼합물로 우선 구분된다. 순물질은 한 종류의 동일한 물질로 이루어져 있고, 일정한 물리적인 특성 (밀도, 녹는점, 끓는점 등)을 보인다.
순물질은 물질을 구성하는 가장 기본 단위이며, 낱개를 셀 수 있는 단위인 원자(atom)의 종류에 따라 원소(element)와 화합물(compound)로 구분된다. 한 종류의 원자로만 구성된 순물질을 원소라고 하고, 두 종류 이상의 원자로 구성된 순물질을 화합물(compound)이라고 한다.
가령 네온 기체는 더 이상 물리적인 방법으로 분리되지 않고, 일정 환경에서 동일한 밀도, 녹는점 그리고 끓는점을 갖는 순물질이며, 원소이다. 반면, 이산화 탄소의 경우, 역시 더 이상 물리적인 방법으로 분리되지 않으며 일정 환경에서 동일한 밀도, 녹는점 그리고 끓는점을 갖는 순물질이지만, 이산화 탄소는 탄소 원자 하나와 산소 원자 두 개로 구성된 분자로 이루어진 화합물이다.
이런 물질을 이루는 기본 성분에 대한 개념은 고대에 탈레스의 1원소설로부터 시작된다. 탈레스는 모든 물질의 근원은 물이라고 주장하였으며, 그 이후 엠페도클레스의 4원소설, 데모크리토스의 입자설을 거쳐 아리스토텔레스의 4원소설로 이어지는 흐름을 갖는다. 아리스토텔레스의 4원소설은 물질이 4가지 원소(물, 불, 흙, 공기)로 이루어져 있다는 내용으로, 물질의 성질을 고려하는 원소의 개념은 받아들였지만, 원자의 개념은 포함하지 않았다.
또 하나의 표현으로 독립적으로 물리적-화학적 성질을 보일 수 있는 원자의 모임을 분자(molecule)라고 한다. 분자는 이를 이루고 있는 원자의 개수에 따라 이원자 분자(예: 질소-N2, 산소-O2), 삼원자 분자(예: 오존-O3, 이산화 탄소-CO2), 다원자 분자(예: 삼산화황-SO3)가 있다. 그 외에도 하나의 원자로 이뤄진 단원자 분자도 있는데, 위의 예에서 살펴본 네온과 같은 비활성기체 원소들이 단원자 분자의 대표적인 예이다.
원소 기호가 표시된 주기율표 (출처)
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원소는 현재 양성자 1개를 갖는 수소부터 양성자 118개를 갖는 오가네손까지 알려져 있고, 이중 94개의 원소는 자연에서 발견되며, 플루토늄, 아인슈타이늄 등 24개의 원소는 합성 과정을 통해 그 존재가 확인 되었다. 금, 은 구리 등과 같이 오래 전부터 사용된 원소들도 있지만, 대부분의 원소들은 최근 200여년 동안 발견되고 확인되었다.
화합물과 원소
서로 다른 원소의 원자들이 화학 결합으로 연결되어 화합물을 형성한다(예, 물의 경우 수소 원소와 산소 원소로 나눌 수 있는 화합물). 우리 주변의 많은 물질들이 화합물로 이뤄져 있고[예: 물(H2O), 이산화 탄소(CO2), 염산(HCl), 황산(H2SO4), 염화 칼슘(CaCl2)], 다른 원자들이 관여하지 않는 원소는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 같은 순수 광물과 대기 중의 질소(N2), 산소(O2), 아르곤(Ar)을 포함하여 매우 소수에 불과하다.
원소 기호
원소를 나타내는 기호인 원소 기호는 중세에는 그림으로 표현했고, 원자설을 제안한 영국의 화학자 돌턴(John Dalton)은 원과 기호를 사용하여 나타냈다. 현재 사용되고 있는 형태의 원소 기호는 스웨덴의 화학자 베르셀리우스(Jons Jacob Berzelius)가 제안하였다.
원자설을 제안한 영국의 화학자 돌턴(Dalton) (출처)
현재 사용 중인 원소 기호를 제안한 스웨덴의 화학자 베르셀리우수(Berzelius) (출처)
기본적인 원소의 경우 원소 이름의 첫 글자 알파벳의 대문자로 표현된다. (예, 수소-Hydrogen-H, 탄소-Carbonneum-C, 산소-Oxygen-O) 첫 글자가 같을 때는 중간 글자를 선택하여 첫 글자 다음에 소문자로 나타낸다 (예, 헬륨-Helium-He, 염소-Chlorum-Cl). 또한, 오래 전부터 알려진 원소의 경우 라틴어로 된 어원을 이용하여 나타낸다. (예, 금-Gold(영어)-Aurum(라틴어)-Au, 구리-Copper(영어)-Cuprum(라틴어)-Cu) 최근 합성되거나 알려진 원소의 경우 영어나 독일어로 된 원소 이름을 이용하여 나타내기도 한다.
| 1 | H | 수소(Hydrogen) | 그리스어로 '물을 생성하다' |
| 2 | He | 헬륨(Helium) | 그리스어로 '해' |
| 3 | Li | 리튬(Lithium) | 그리스어로 '돌' |
| 4 | Be | 베릴륨(Beryllium) | 광물 이름 녹주석(beryl) |
| 5 | B | 붕소(Boron) | 광물 이름 붕사(borax) |
| 6 | C | 탄소(Carbon) | 라틴어로 '석탄' |
| 7 | N | 질소(Nitrogen) | 그리스어로 '초석(광물)을 생성하다' |
| 8 | O | 산소(Oxygen) | 그리스어로 '산을 생성하다' |
| 9 | F | 플루오린(Fluorine) | 라틴어로 '흐르게 하다' |
| 10 | Ne | 네온(Neon) | 그리스어로 '새로운' |
| 11 | Na | 소듐(Sodium) | 영어 '소다-soda' |
| 12 | Mg | 마그네슘(Magnesium) | 그리스 마그네시아 지역 이름 |
| 13 | Al | 알루미늄(Aluminium) | 라틴어로 '사리염' |
| 14 | Si | 규소(Silicon) | 라틴어로 '부싯돌' |
| 15 | P | 인(Phosphorus) | 그리스어로 '샛별' |
| 16 | S | 황(Sulfur) | 라틴어로 '유황' |
| 17 | Cl | 염소(Chlorine) | 그리스어로 '연녹색' |
| 18 | Ar | 아르곤(Argon) | 그리스어로 '게으른' |
| 19 | K | 포타슘(Potassium) | 근대 라틴어로 '잿물' |
| 20 | Ca | 칼슘(Calcium) | 라틴어로 '석회' |
동위원소
위의 정의에 의해 한 원소의 원자가 갖는 양성자의 수를 그 원소의 원자 번호(atomic number)라고 한다. 원자 번호에 따라 원소들을 배열한 것을 주기율표(periodic table)라고 한다. 자세한 내용은 별도의 주기율표 문서에서 확인 가능하다.
기본적으로 원자는 전기적으로 중성 상태를 이루기 때문에 양성자수와 동일한 전자수를 갖는다. 즉, 산소 원자는 8개의 양성자와 8개의 전자를 가지고 있다. 추가적으로 원자를 이루는 성분에는 중성자가 있는데, 같은 원소의 원자라고 하더라도 중성자의 수가 다를 수 있고, 이 경우 같은 양성자 수를 갖는 같은 원소이지만 질량(원자량)이 다른 경우가 생기게 되고, 이를 동위원소라 부른다. 산소의 동위원소로 양성자 8개와 중성자를 9개를 갖는 O-17가 있다. 이 원소의 원자번호는 16번이지만 질량수가 17이다.