원자와 분자, 원소와 화합물 ★

원자와 분자, 원소와 화합물

 

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▶ 참고: 제2장 원자, 분자, 이온. 목차

[ https://ywpop.tistory.com/15185 ]

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화학을 이제 막 배우는 학생들에게

원자와 분자, 그리고 원소와 화합물의 구분은 쉽지 않는 문제입니다.

이 글이 그 동안의 문제를 해결하는데 도움이 되었으면 합니다.

 

[ 관련 글 https://ywpop.blogspot.com/2024/06/blog-post.html ]

중학교 과학 교과서에 나오는 원소의 정의

 

 

 

문제 해결의 출발점은

BC 5세기, 그리스 철학자 데모크리토스가 주장한 ‘원자(atom)’입니다.

그 분은 이렇게 주장했습니다.

 

“모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 되어있다.”

( 저는 이 분이 지구인이 아닌 우주인이 아닐까 라고 생각합니다만...^^ )

 

 

[ 그림 출처 commons.wikimedia.org ] Democritus.

 

 

 

 

[그림] 물질의 분류.

( 참고: 물질의 정의 https://ywpop.tistory.com/7114 )

( 참고: 물질의 분류 https://ywpop.tistory.com/2390 )

 

 

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“원자는 물질을 구성하는 실질적인 최소 입자(물질)이다.”

“원자는 물질을 분류할 때 기준이 되는 입자(물질)이다.”

---> 따라서 분자, 원소, 화합물을 설명(정의)할 때는

원자가 어쩌고저쩌고 식으로, 원자로 설명해야 됩니다.

---> 따라서 당연히 원자를 맨 먼저 설명(정의)해야 하므로...

 

 

 

▶ 원자(atom)의 정의

“(화학 반응으로) 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 물질”을 원자라 합니다.

( 참고: 가장 작은 물질 https://ywpop.tistory.com/6916 )

 

 

 

 

[ 그림 출처 commons.wikimedia.org ] 흑연 덩어리.

이 흑연 덩어리를 계속해서 잘게 쪼개면, 결국에는 탄소(C) 원자가 된다.

 

 

 

▶ 물론 화학자도 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고,

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다는 것쯤은 알고 있습니다.

그럼에도 불구하고, 화학에서는 “원자를 가장 작은 물질이라 정의”합니다.

( 쿼크, 렙톤 등 원자핵을 구성하는 입자보다 더 작은 물질은

물리학자들에게 양보합니다. )

 

 

 

▶ 원자핵이 쪼개지는, 즉 핵이 변하는 ‘핵물리/핵화학’에서 일어나는 반응은

일반적인 화학자가 연구하는 분야가 아니므로

( 핵화학이란 분야가 있긴 하지만, 핵물리에 가깝습니다.

핵변환을 최초 실험한 과학자도 물리학자입니다. ),

( 참고: 양성자의 발견 https://ywpop.tistory.com/9378 )

 

핵반응을 제외하면,

일반적인 화학에서는 “원자를 가장 작은 물질이라 정의”할 수 있습니다.

 

 

 

▶ 교사나 학생이 이 점만 받아들이면,

아래와 같이 원자/분자, 원소/화합물을

명확히 정의내릴 수(또는 구분할 수) 있습니다.

 

 

 

▶ 학생들은 아래에서 설명하는 내용을 기초로 하여,

교사나 교재에서 설명하는 개념을 부가적으로 받아들이면 좋을 것 같습니다.

즉, 아래에서 설명하는 내용만 이해하면,

교사나 교재에서 설명하는 개념이 뭘 의미하는지 이해할 수 있다는 것입니다.

 

 

 

[참고] 비활성기체족을 제외한 모든 원자는 불안정하기 때문에,

자연계에서 원자 상태로 존재하지 않습니다. 대부분 분자 상태로 존재합니다.

( 참고: 비활성기체족 https://ywpop.tistory.com/6526 )

( 참고: 원자 상태로 존재할 수 없다 https://ywpop.tistory.com/24580 )

 

 

 

[참고] 탄소 원자(C), 산소 원자(O), 칼슘 원자(Ca), 철 원자(Fe) 등

원소 주기율표에 나와 있는 물질이 원자(atom)입니다.

( 참고: 원소 주기율표 https://ywpop.tistory.com/6661 )

 

 

 

 

▶ 분자(molecule)의 정의

그럼 분자의 정의는 어떨까요?

 

“2개 이상의 원자들이 화학 결합하여 생성된 물질”을 분자라 합니다.

또는 간단히 “2개 이상의 원자로 이루어진 물질”을 분자라 합니다.

 

> 단, 헬륨 등과 같은 단원자분자는 예외입니다.

비활성기체족은 분자라고도 부를 수 있습니다.

 

> NaCl과 같은 이온결합 물질은 제외합니다.

이들은 화합물로만 부를 수 있습니다. 이유는 아래에...

 

> 이미 설명했듯이, 자연 상태에서 원자는 불안정하기 때문에,

물질은 원자가 아닌 분자로 존재합니다. 이 때문에,

분자를 “특정한(고유한) 성질을 갖는 가장 작은 물질”이라고도 정의합니다.

 

> 비활성기체족은 원자 그 자체로 안정하기 때문에,

자연계에서 원자 상태로 존재할 수 있습니다.

 

> 비활성기체족은, 원자이지만, 고유한 성질을 갖기 때문에,

분자에 포함시킵니다. 그래서 ‘단원자분자’라고 부릅니다.

( 참고 https://ywpop.tistory.com/6526 )

 

 

 

[중간 정리]

▶ 원자: (화학 반응으로) 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 물질

▶ 분자: 2개 이상의 원자로 이루어진 물질

 

 

 

이제 원소와 화합물의 정의를 내려 봅시다.

 

 

 

 

▶ 원소(element)와 화합물(compound)의 정의

“한 가지 종류의 원자로 이루어진 물질”을 원소라 하며,

( “종류”에 주목하고, 반드시 기억하세요. )

 

> 산소 원자(O), 산소 분자(O2), 오존 분자(O3), 모두 다

한 가지 종류의 원자로 이루어져 있으므로, 원소에 해당합니다.

따라서 산소 원자, 산소 분자, 오존 분자, 모두 다 “산소 원소”라고 부를 수 있습니다.

 

> 비활성기체족은 원자도 되고, 분자도 되고, 또한 원소이기도 합니다.

 

 

 

“두 가지 종류 이상의 원자로 이루어진 물질”을 화합물이라 합니다.

 

> 물(H2O)은 수소(H) 원자와 산소(O) 원자로 이루어져 있으므로,

화합물에 해당합니다. 또한 물은 분자이기도 합니다.

 

 

 

또는 화학 반응에 의해 분해될 때,

“서로 다른 원자로 나누어지지 않는 물질”은 원소,

“서로 다른 원자로 나누어지는 물질”은 화합물,

이렇게 정의할 수도 있습니다.

 

 

 

 

H2O는 화합물, H2와 O2는 원소.

 

H2O, H2, O2, 모두 분자.

---> 모두 2개 이상의 원자로 이루어져 있다.

 

 

 

[중간 정리]

▶ 원자: (화학 반응으로) 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 물질

▶ 분자: 2개 이상의 원자로 이루어진 물질

 

▶ 원소: 1가지 종류의 원자로 이루어진 물질

▶ 화합물: 2가지 종류 이상의 원자로 이루어진 물질

 

---> 분자, 원소, 화합물을 전부

“~의 원자로 이루어진 물질”로 설명(정의).

 

 

 

 

 

 

 

기본적으로 위와 같은 내용을 완전히 이해(암기)한 다음에,

“원자는 개수, 원소는 종류”를 의미한다는 것을 추가적으로 알고 있으면

( 참고 https://ywpop.tistory.com/8926 )

 

원자와 원소의 개념을 구분하는데 도움이 됩니다.

 

 

 

비유해서 설명하면,

 

사과 2개와 참외 3개와 수박 5개가 있다면,

과일은 3종류 있으며 (원소의 개념입니다.)

전체 10개 과일이 있다 (원자의 개념입니다.)

라고 할 수 있습니다.

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.blogspot.com/2024/04/o.html ]

원소의 잘못된 정의

 

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반응형

 

화학식대로 독립적으로 단독으로 존재하나? 안하나?

( 참고: 분자가 아닌 이유 https://ywpop.tistory.com/10685 )

 

 

 

분자가 되기 위해서는 (분자라고 부를 수 있기 위해서는)

원소나 화합물이 (화학식과 같은 결합 형태로)

한 개씩 독립하여(서로 떨어져서) 존재할 수 있나? 없나? 로 구분합니다.

 

 

독립하여 존재할 수 있는 원소는 분자라고도 부를 수 있으나,

독립하여 존재할 수 없는 원소는 오로지 원소라고만 부릅니다.

 

 

또는

단독으로 존재하는 원소는 분자라고도 부를 수 있으나,

단독으로 존재하지 않는 원소는 오로지 원소라고만 부릅니다.

 

 

 

상온, 상압 하에서, 그러니까 일반적인 조건하에서,

헬륨(He), 산소 분자(O2), 질소 분자(N2) 등은

원소 하나하나가 따로 떨어져서 존재합니다.

( 따라서 분자라고 부를 수 있습니다. )

 

 

 

 

[그림] Atmosphere – nitrogen, oxygen, carbon dioxide, water molecules.

질소 분자, 산소 분자, 이산화탄소 분자, 물 분자.

 

 

 

 

그러나 철(Fe)과 같은 금속, 다이아몬드(C), 흑연(C) 등은

원소 하나하나가 따로 떨어져서 존재하지 않습니다.

 

물질을 구성하는 원소들이 상하좌우로 쭉 연결되어 있는데,

이런 물질들이 갖는 구조를 3차원 격자 구조 또는 결정 구조라 합니다.

 

> 이런 물질들은 분자라 부를 수 없고, 오로지 원소라고만 부릅니다.

> 결정 구조를 갖는, 결정 상태로 존재하는 물질(대부분 고체 상태)은

분자라 부를 수 없다.

( 참고 https://ywpop.tistory.com/8942 )

 

 

 

 

[그림] Iron metal crystal structure. 철 금속 원소.

 

 

 

 

[ 그림 출처 commons.wikimedia.org ] Diamond structure. 탄소 원소.

파란 공 1개 = 탄소 원자 1개.

 

 

 

 

같은 이유로, NaCl, Cu2O과 같은 이온결합성 화합물도

분자라 부를 수 없고, 오로지 화합물이라고만 부릅니다.

 

 

 

 

[그림] Crystal structure of NaCl. NaCl 화합물.

나트륨 이온(자주색)과 염화 이온(녹색).

 

 

 

 

[그림] Crystal structure of Cu2O, copper(I) oxide. Cu2O 화합물.

빨강색=산소(O), 살색(연분홍색)=구리(Cu).

 

 

 

 

[참고] ‘홑원소물질’은 더 이상 사용하지 않는 용어입니다.

> 홑원소물질이란 용어는 대학교 일반화학 교재에 나오지 않습니다.

( 단, 대한민국 중고등학교 교재는 예외. )

 

> 홑원소물질에 해당하는 물질은 전부 원소에 해당합니다.

( 참고 https://ywpop.tistory.com/3616 )

 

 

 

[참고] 만약 3가지 종류의 화학결합에 대해 잘 알고 있다면,

( 참고: 3가지 화학 결합 https://ywpop.tistory.com/3036 )

 

이온결합(예: NaCl, Al2O3) 또는

금속결합(예: Fe, Cu)이면, 100% 분자가 아닙니다.

이온결합이면, 100% 화합물이고,

( 참고 https://ywpop.tistory.com/3303 )

 

금속결합이면, 100% 원소입니다.

 

 

공유결합(예: H2, O2, H2O)만 분자인데,

단, 그물망(network) 형태의 공유결합(예, 다이아몬드, 흑연)은 분자가 아닙니다.

이들은 원소입니다.

 

 

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화합물과 분자, 화학식량과 분자량

 

 

 

물질은 크게 순물질과 혼합물로 분류하고,

순물질은 또 원소와 화합물로 분류합니다.

 

 

 

포도당(C6H12O6)과 소금(NaCl)을 예로 들어 설명하면,

 

위에서 설명한 화합물과 분자의 개념에 따라,

포도당(C6H12O6)과 같은 분자성(또는 공유결합성) 화합물은

화합물이라 부를 수도 있고, 분자라 부를 수도 있습니다.

 

그러나 소금(NaCl)과 같은 이온결합성 화합물은 분자라고 부를 수 없습니다.

오로지 화합물이라고 불러야 됩니다.

왜냐하면 소금은 포도당처럼 1개의 독립된 분자 형태로 존재하지 않기 때문입니다.

 

 

 

정리하면, 물질의 분류에도 나와 있듯이,

화합물이란 명칭은 분자성 화합물이든, 이온결합성 화합물이든 상관없이,

공통으로 사용할 수 있는 명칭이고,

분자란 명칭은 오로지 분자성 화합물만 사용할 수 있습니다.

 

 

 

 

용어의 사용에 있어서, 이와 비슷한 경우가 하나 더 있습니다.

그것은 물질의 질량을 나타내는 화학식량과 분자량입니다.

 

포도당(C6H12O6)과 같은 분자성(또는 공유결합성) 화합물의 질량은

화학식량 또는 분자량이라 부를 수 있고,

 

소금(NaCl)과 같은 이온결합성 화합물의 질량은

오로지 화학식량이라고 불러야 됩니다.

따라서 “소금의 분자량”이란 표현은 틀린 말입니다.

이유는 위에 설명한 것과 비슷합니다.

 

 

 

이온결합성 화합물은 독립된 분자 형태로 존재하지 않고,

삼차원 격자 구조를 형성하기 때문에,

화학식 중에서 실험식으로만 나타낼 수 있습니다.

 

즉, 이온결합성 화합물은 분자식으로 나타낼 수 없기에,

이온결합성 화합물의 질량을 분자량이라 부를 수 없습니다.

 

 

 

분자성이든 이온성이든, 화합물의 종류에 상관없이,

화합물의 질량을 공통으로 부를 수 있는 ‘몰질량’이라는 명칭도 있는데,

최근 대학 교재에서는 몰질량을 많이 사용하고 있습니다.

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/6475 ] 아보가드로수와 mol

( 참고: 화학식량과 몰질량의 차이 https://ywpop.tistory.com/8993 )

 

> 포도당(C6H12O6)의 화학식량 = 분자량 = 180 g

> 포도당(C6H12O6)의 몰질량 = 180 g/mol

 

> 소금(NaCl)의 화학식량 = 58.44 g

> 소금(NaCl)의 몰질량 = 58.44 g/mol

 

 

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Ne은 왜 분자이고, Cu는 왜 분자가 아닌가요?

[ 참고 https://ywpop.tistory.com/3912 ]

 

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[원소와 분자 간단 설명]

원소는 종류의 개념을 포함하고 있고,

분자는 개수의 개념을 포함하고 있습니다.

 

▶ 원소 = 한 종류의 원자로 이루어진 물질

> 산소 원자(O), 산소 분자(O2), 오존 분자(O3), 모두 산소 원소.

 

▶ 분자 = 2개 이상의 원자로 이루어진 물질

> 여기서 원자는 같은 종류이든, 다른 종류이든 상관없음.

> 무조건 2개 이상이면, 분자.

> 예: O2 분자, O3 분자, N2 분자, H2O 분자, NH3 분자

 

 

 

 

[ 관련 글 http://ywpop.tistory.com/10395 ] 화학 반응식에 원자가 아닌 분자를 쓰는 이유

 

 

 

 

[참고] 항공모함과 전투기

항공모함은 수십 대의 전투기를 탑재하고 있습니다.

가령 90대의 전투기를 탑재하고 있는 니미츠급 항공모함을 생각해 봅시다.

어느 날 10대의 전투기가 항공모함을 이륙해서 작전 지역에 투입되었습니다.

이때 10대의 전투기가 항공모함을 떠났을 뿐,

항공모함은 변함없이 그대로 항공모함입니다.

10대의 전투기가 빠졌다고 해서,

니미츠급 항공모함이 와스프급 항공모함으로 바뀌지는 않습니다.

 

원자도 마찬가지입니다.

칼슘(Ca) 원자에서 전자 2개가 이온화되어 떨어져나가더라도

원자의 본질인 칼슘 원자핵은 변함없이 그대로입니다.

전자 2개가 이온화되었다고 해서,

칼슘 원자핵이 아르곤(Ar) 원자핵으로 바뀌지는 않습니다.

이 때문에 이온의 이름은

원자의 이름을 그대로 사용하는 것입니다.

( 칼슘 원자 ---> 칼슘 이온 )

( 참고: 원자와 이온 https://ywpop.tistory.com/5501 )

 

 

 

[키워드] 원자와 분자 기준, 원소와 화합물 기준, 원자와 분자 사전, 원소와 화합물 사전, 원자 사전, 원자와 원소 기준, 원자와 원소 사전, 분자 경전