[원자의 구조와 주기성] 원자의 개념에 대한 역사 - 2부

돌턴의 원자설

자연 현상을 관념적인 사유가 아니라 직접 실증적인 관찰과 실험 결과에 바탕을 두고 인간의 이성으로 이해하려는 근대의 과학인 연구가 진행되면서 고대의 원소 설은 많은 문제를 일으킨다. 우선 고대의 원소 설에서 기본 원소의 하나로 생각하였던 공기가 사실은 여러 가지 성분으로 분리될 수 있는 혼합물이라는 것이 밝혀지고 4 원소설이 폐지되기 시작하면서 보일에 의하여 제시된 원소의 개념이 받아들여졌다. 이러한 바탕 위에서 화학 반응에 대한 18세기 동안에 발견된 여러 가지 정량적인 법칙들을 설명하기 위하여 1808년 돌턴은 다음과 같은 원자설을 제시하였다.

1. 각 원소는 원자라는 더 이상 쪼개지지 않는 작은 입자로 이루어져 있다.

2. 동일한 원소의 원자는 질량이 모두 동일하고 다른 원소의 원자는 질량이 완전히 다르다. 즉 원자를 구별하는 특징은 원자의 질량이다.

3. 다른 원소의 원자들이 서로 간단한 정수비로 결합하여 다양한 화합물을 만든다. 그러나 특정 화합물에는 언제나 동일한 원자들이 일정한 비율로 존재한다.

4. 원자들이 재배열 되는 것이 화학 반응이다. 화학 반응에서 원자 자체는 변하지 않는다.

돌턴의 원자설의 기본 가정들 중 몇 가지는 올바르지 않다는 것이 나중에 밝혀지기는 하였지만, 돌턴의 원자설은 질량보존 법칙, 일정성분비 법칙, 배수비례 법칙에 대한 합리적인 설명을 제공 하였다. 또한 현대의 원자 개념의 기본 틀을 제공하는 중요한 역할을 하였다. 

서로 다른 원소들 사이의 질량 비율을 실험으로 정하는 방법을 제공하였기 때문에 돌턴은 최초의 ‘원자 질량 표’를 만들었다. 그러나 그 당시까지는 원자와 분자를 구별하는 개념과 방법이 명확하지 않았기 때문에 돌턴의 원자 질량표는 많은 부분이 잘못된 것들 이었다. 예를 들어 물은 수소와 산소로 이루어 졌다는 사실은 알았지만 수소와 산소의 비율이 1:1일 것으로 믿었기 때문에 수소의 질량을 1로 할 때 산소의 질량이 8이 된다고 잘못 생각 하였다.

화학식 표시법의 확립

동일한 온도와 압력에서 반응하는 기체들의 부피를 측정하는 실험을 통하여 1809년 게이루삭(Joseph Gay-Lussac; 1778-1850)은 기체 반응의 법칙을 발견하였다. 그림 1은 동일한 온도와 압력 조건에서 수소기체 2 부피와 산소기체 1 부피를 반응시키면 수증기 기체 2부피를 생성되며, 수소 1 부피는 염소 1 부피와 반응하여 염화수소 2 부피를 만드는 것을 보여준다. 이것은 서로 다른 원소들이 결합하는 반응에서 원소들 사이의 비율에 일정한 법칙이 있다는 것을 의미한다.

이러한 실험 결과를 해석하기 위하여 아보가드로(Amadeo Avogadro; 1776-1856)는 ‘온도와 압력이 동일하면 동일한 부피 속에 들어있는 기체 단위체(분자)의 수는 기체의 종류에 관계없이 일정하다’는 아보가드로 가설을 1811년에 제시하였다. 아보가드로 가설을 받아들인다면, 그림 2.1에 나타낸 게이루삭의 두 번째 실험은 수소기체의 단위체 하나와 염소기체의 단위체 하나가 반응하여 염화수소 기체의 단위체 2개를 만든다는 것을 의미한다. 만약 수소와 염소 기체의 단위체가 각각 수소원자 하나와 염소원자 하나로 이루어졌다면, 두개의 염화수소 단위체를 만들기 위해서는 수소 원자와 염소 원자가 각각 반으로 쪼개진 뒤 그 반쪽들끼리 결합하여 염화수소 기체의 단위체를 2개 만들어야 한다.

그러나 원자는 더 이상 쪼개지지 않는다는 돌턴의 원자설을 받아들인다면 그림에 보인 것처럼 수소와 염소기체의 단위체는 각각 2개씩의 수소와 염소 원자로 이루어진 것으로 가정하여야 함을 알 수 있다. 또한 그러한 가정에 따르면 그림 2의 첫 번째 보인 것과 같이 수증기 기체의 단위체는 산소원자 하나와 수소원자 두개가 결합한 것으로 가정할 수 있다. 

그림 1. 기체 반응의 법칙에 해당하는 실험. 수소 2 부피가 산소 1 부피와 반응하여 수증기 2 부피가 생성되며, 수소 1 부피와 염소 1 부피와 반응하여 염화수소 2 부피가 생성되는 것을 보여주는 실험.

그림 2. 원자는 더 이상 쪼개지지 않는다는 돌턴의 원자설과, 기체의 부피와 입자의 수는 비례한다는 아보가드로의 가설을 바탕으로 하여 그림 2.1의 시험을 설명하는 그림.

이러한 실험결과의 해석은 수소, 산소, 염소 기체의 단위 입자들은 2개의 원자로 이루어 진 반면 수증기의 단위 입자는 산소원자 하나와 수소원자 2개의 비율로 이루어 졌다는 것을 다는 것을 이해하도록 하였다. 이와 같이 두 가지 이상의 원소로 이루어진 물질의 기본 단위를 원자와 구별하여 분자(Molecule)라 부르기로 하였으며, 이를 바탕으로 원자들 사이의 올바른 질량비를 결정할 수 있었고, 화학식을 올바르게 정할 수 있었다. 이러한 발전을 바탕으로 베르셀리우스(Jones Jakob Berzelius; 1779-1848)는 화합물의 화학식을 표기하기 위한 현대적인 원소 기호를 고안하였다.

[Chemistry/General Chemistry] - [원자의 구조와 주기성] 원자의 개념에 대한 역사 - 1부