0. 목차
- 주기율표
- 원자끼리의 결합
- 분자끼리의 결합
- 분자의 운동
- 새로운 분자를 인공적으로 만든다.
1. 주기율표
'원자(Atom)'은 '원자핵(Atomic Nucleus)'과 그것을 둘러싼 '전자(Electron)'로 이루어져 있다. 그리고 원자핵은 '양성자(Proton)'과 '중성자(Neutron)'로 이루어진다. '양성자의 수'와 '전자의 수'는 같으며, 이것을 '원자 번호'라고 한다. 원자가 다른 원자와 결합을 할지, 그리고 어떤 결합을 할지는 '원자가전자(원자의 가장 바깥쪽에 있는 전자)'의 수와 배치와 관계가 있다.
원소의 주기율표는 원자 번호의 차례대로 원소를 나열하고, '원자가전자(Valence Electron)'의 배치가 비슷한 것끼리 세로로 나열하거나 한곳에 모아놓은 '원소의 장부'이다. 예컨대, 18족의 '헬륨(He)', '네온(Ne)', '아르곤(Ar)' 등의 무리는 화학 반응을 일으키기 어려워 '비활성 기체(inert gas)'라고 한다. 한편, 1족의 '수소(H)'를 제외한 '리튬(Li)', '나트륨(Na)', '칼륨(K)' 등의 원소는 각각 전자를 1개씩 방출해 '양이온'이 될 준비를 하고 있고, 17족의 '플루오린(F)', '염소(Cl)' '브롬(Br)' 등의 원소는 각각 전자를 1개씩 받아 '음이온'이 될 준비를 하고 있다.
2. 원자끼리의 결합
원자를 연결하는 화학 결합에는 크게 '공유 결합(Covalent Bonds)', '이온 결합(Ionic Bond)', '금속 결합(Metallic Bond)'의 세종류가 있다.
2-1. 공유 결합
'수소 원자(H)' 2개가 '수소 분자(H2)'가 되는 것처럼, '비활성 기체(18족 원소)'이외의 원자는 다른 원자와 결합한 상태 쪽이 더 안정된다. 이를 이해하기 위해 수소를 예로 생각해 보자. 수소 원자는 양전기를 띤 '양성자(Proton)'의 주위를, 음전기를 띤 '전자(Electron)'이 돌고 있다. 이들 둘이 서로 끌어당겨 하나로 합쳐지지 않는 이유는 전자가 운동해, 인력과 척력이 서로 균형을 이루고 있기 때문이다. 전자 쪽이 주로 회전하는 이유는 '전자의 질량'보다 '양성자의 질량'이 약 1840배 무겁기 때문이다.
2개의 수소 원자가 접근하면 전자는 서로 반발하지만, 전자는 서로의 원자핵에 끌려간다. 그러면 전자가 움직여 도는 공간은 넓어지고, 운동 에너지도 작아지면서 전체적으로 안정된다. 2개의 전자가 접근한 2개의 양성자 주위를 돌기 시작하면, 어느 쪽 원자의 전자였는지 구별되지 않는다. 그리고 분자는 안정된다. 이처럼 2개의 전자가 2개의 원자에 공유되어 안정되는 상태를 '공유 결합(covalent bond)'이라고 한다. 5200만 종 이상 되는 물질의 대부분은 '공유 결합'으로 만들어진 분자이다.
2-2. 이온결합
'소금(염화나트륨)'은 '나트륨(Na)'과 '염소(Cl)'의 원자가 1:1의 비율로 이루어지는 화합물이다. 그러나 NaCl이라는 분자가 만들어지는 것은 아니다. Na 원자에서 Cl 원자로 전자가 1개 이동해 Na+와 Cl-라는 이온이 된다. 이들이 하나씩 걸러 정육면체의 각 꼭짓점에 배열된 결정으로 안정화되어 있는 것이다. 이것을 '이온 결합(ionic bond)'이라고 한다. 양이온과 음이온이 합체하지 않는 것은 각각의 이온 안쪽에 다수의 전자가 어떤 거리 이내로 상대를 다가오지 못하게 하기 때문이다.
2-3. 금속결합
'나트륨(Na)'이나 '은(Ag)' 같은 금속 원소는 같은 종류의 원자가 규칙적으로 배열한 결정을 만든다. 금속 안에서 각 원소의 전자 궤도가 서로 겹치며, 거기를 자유 전자가 움직이면서 돌고 있다. 그래서 전기나 열에 대해 '전도체(전기 또는 열을 전달하는 물질)'가 된다. 이것이 '금속 결합'이다. '금속 결합'은 각 원자의 전자 궤도가 겹치는 점이 '공유 결합'과 비슷하다. 하지만 금속은 '분자(molecule)'라고 하지 않는다.
3. 분자끼리의 결합
3-1. 분자끼리 결합시키는 수소 결합
원자가 결합했을 때 원자가 자신에게 전자를 끌어당기는 정도를 '전기 음성도'라고 한다. 이 '전기 음성도(원자가 자신에게 전자를 끌어당기는 강도)'는 원자의 종류마다 차이가 있다. 그런데 '전기 음성도'가 강한 '질소(N)', '산소(O)', '플루오린(F)' 등의 원자에 '수소(H)' 원자가 공유결합으로 결합하면, 전기 음성도가 강한 원자는 부분적인 '음(-)' 전하를 띄고 수소 원자는 부분적인 '양(+)' 전하를 띄게 된다. 이러한 수소 원자에 전기 음성도가 강한 원자가 서로 이웃하게 되면, 이 두 원자 사이에 정전기적 인력이 생기는데 이것을 '수소결합(hydrogen bond)'이라고 한다.
3-1-1. 물의 합성
'물 분자(H2O)'는 2개의 '수소 원자(H)' 1개의 '산소 원자(O)'로 이루어져 있다. 하지만 '수소 분자(H2)'와 '산소 분자(O2)'를 2:1의 비율로 혼합시키기만 해서는 '물(H2O)'이 되지 않는다. 외부에서 어떤 커다란 빛이나 열에너지를 가해 줘야, 폭발적으로 반응해 '물 분자(H2O)'가 생긴다. 이처럼 '화학 반응'은 원자 사이의 결합이 바뀌는 것이므로, 많은 경우 에너지를 가해 분자를 활성화할 필요가 있는 것이다. 그러면 활성화한 원자나 분자가 서로 충돌해 반응이 진행된다.
수소와 산소에서 물이 생기는 것이 간단한 반응처럼 보일지 몰라도, 실제의 진행과정은 복잡하다. 에너지를 흡수한 '수소 분자(H2)'가 하나라도 불안정해져서 '수소 원자(H)'로 나뉘면, 그게 방아쇠가 되어 반응이 급속하게 퍼진다. 나뉘어진 '수소 원자(H)'에 '산소 분자(O2)'가 충돌하면, '산소 원자(O)'와 '히드록시기(OH)'가 된다. 그다음 '산소 원자(O)'에 '수소 분자(H2)'가 충돌하면 '물 분자(H2O)'가 되고, '히드록시기(OH)'에 '수소 분자(H2)'가 충돌 하면 '물 분자(H2O)'와 '수소 원자(H)'가 생긴다. 이와 같은 과정이 연쇄되면서, '수소'와 '산소'에서 '물'이 생긴다.
3-1-2. DNA의 두 사슬도 수소 결합으로 이어져 있다.
'수소 결합'을 하는 것은 '물 분자(H2O)'만이 아니다. 분자 속에 '산소 원자(O)'나 '질소 원자(N)', '플루오린 원자(F)'처럼 전자를 끌어당기는 강도가 큰 원자와 '수소 원자(H)'가 만나 '공유 결합'이 일어나면, 그 분자는 '수소 결합'을 한다. 예컨대 '암모니아(NH3)'나 '플루오린화수소(HF)', 에탄올(C2H6O)' 등도 수소 결합으로 결합되어 있다.
생물의 유전 정보를 저장하고 있는 'DNA'는 같은 구조를 한 2가닥의 사슬이 수소 결합으로 묶인 고분자이다. 이 구조를 'DNA의 이중 나선 구조'라고 한다. DNA의 한 가닥 사슬은 '당(데옥시리보오스)', '인산', '염기'로 이루어진 기본 단위가 수천 개나 반복해서 연결되어 있다. 염기에는 '아데닌(A)', '티민(T)', '구아닌(G)', '시토신(C)'의 4종이 있다. DNA 결합에서는 '아데닌과 티민', '구아닌과 시토신'의 염기끼리 수소 결합을 한다. 수소 결합의 강도는 공유 결합의 10분의 1 정도밖에 되지 않는다. 수소 결합의 강도는 2가닥의 끈이 쉽게 떨어져 각각 복제하기에 알맞은 정도이다.
3-2. 판데르발스 힘
상온에서 기체인 산소와 질소는 차가워지면 모두 액체나 고체로 변한다. 그 이유는 차가워져서 움직임이 약해진 분자가, 분자끼리 작용하는 인력에 의해 모이기 때문이다. 이 인력의 원천은 주로 양전기와 음전기 사이에 작용하는 '정전기 인력(electrostatic attraction)'이다. 예컨대 얼음에서는 '물 분자(H2O)'를 만드는 산소 원자는 음전기를 띠고, 수소 원자는 양전기를 띤다. 때문에 물 분자끼리 정전기 인력이 작용한다. 산소 원자가 수소 원자로부터 음전기를 가지고 있는 '전자(electron)'을 끌어당김으로써 '전기의 치우침'이 생기는 것이다.
그러면 전기의 치우침이 없는 것처럼 보이는 '수소'나 '이산화탄소(CO2)'는 어떨까? 이들을 차갑게 하면 '액체 수소'나 '드라이아이스'가 되는데, 이 때 작용하는 인력은 무엇일까? 이러한 '어떤 분자에도 작용하는 수수께끼의 인력'이 물리학자 '요하너스 디데릭 판데르발스(Johannes Diderik van der Waals, 1837~1923)'가 말한 데서 비롯된 '판데르발스 힘(van der Waals force)'이라는 것이다.
3-2-1. 판데르발스 힘의 발생 원인
그러면 '판데르발스 힘'의 원인은 무엇일까? 현재는 '판데르발스 힘의 발생 원인'이 주로 '전기의 치우침'이라는 사실이 알려져 있다. 그러면 전기의 치우침이 없어 보이는 분자에는 어디에 치우침이 있는 것일까?
- '순간적인' 전기의 치우침: '수소 분자(H2)'에는 2개의 수소 원자가 전자를 공유하기 때문에 기본적으로 전기의 치우침이 없다. 그러나 어느 순간에 시간을 멈추고 보면, 2개의 전자가 왼쪽으로 치우치거나 오른쪽으로 치우쳐 있을 것이다. 이 순간적인 전기의 치우침은 모든 분자에서 일어나며, 그 결과, '판데르발스 힘'이 작용하게 된다.
- '부분적인' 전기의 치우침: 전체적으로 보면 전기의 치우침은 없지만, 부분적으로 전기의 치우침이 존재하는 분자도 있다. 예컨대 '이산화탄소(CO2)'에서는 2개의 산소 원자가 중앙의 탄소 원자로부터 전자를 끌어당기고 있는데, 산소 원자가 음전기를 띠고 있고, 탄소 원자가 양전기를 띠고 있따. 하지만 전자는 정반대 방향으로 동시에 끌어당겨지기 때문에, 이산화탄소를 멀리서 바라보면 전기의 치우침이 없는 것처럼 보인다. 이렇게 부분적으로만 전기의 치우침이 있는 분자끼리 충분히 접근했을 때 생기는 인력도 '판레르발스 힘'이라고 한다.
전기의 치우침은 주위의 분자에게도 똑같은 전기의 치우침을 일으킨다. 즉, 발생한 전기의 치우침은 전염되며, 그 결과 인력이 작용하는 것이다. '순간적인 전기의 치우침'과 '부분적인 전기의 치우침'이 '판데르발스 힘'의 정체이다.
4. 분자의 운동
물질의 형태가 기체·액체·고체 중 어느 것이든 관계없이 물질 속의 분자는 끊임없이 진동하고 있다. 일반적으로 온도를 내리면 분자의 진동은 느려지지만, 절대 영도가 되더라도 분자는 진동을 멈추지 않는다. 이것을 '영점 진동(zero point vibration)'이라고 한다.
분자는 회전도 하고 있다. 고체 속에서도 분자는 회전하고 있지만, 무게 중심의 위치는 바뀌지 않는다. 온도를 높여가면, 고체는 녹아 액체가 된다. 그러면 분자는 비틀비틀 움직이기 시작한다. 그리고 온도를 더욱 높이면, 액체는 증발해 기체가 되어, 분자는 더욱 맹렬한 기세로 휘날리기 시작한다. 기체의 압력과 부피를 계산하면, '기체의 분자의 빠르기'와 '기체의 온도'를 알 수 있다.
분자는 열뿐만 아니라, 전자기파를 쬐더라도 회전하거나 진동하거나 전자의 움직임을 바꾸거나 한다. 분자가 전자기파의 에너지를 흡수하면, 전자나 원자핵의 운동 에너지가 증가해 격렬하게 움직이기 때문이다. 예컨대 가정의 전자레인지는 음식물 속의 물 분자를 '마이크로파'로 격렬하게 회전시켜 온도를 높인다.
물 분자의 진동과 회전을 생각해 보자. 분자는 평형 상태에서 항상 늘어나거나 줄어들면서 끊임없이 진동하고 있다. '물 분자'의 '진동(신축 운동)'의 경우, 수소 원자 쪽이 산소 원자보다 신축의 정도가 크다. 이것은 수소 원자 쪽이 질량이 작기 때문이다. 또 물 분자는 고체 속에서도 '회전(Rotation)'을 하고 있다. 물 분자의 회전에는 3가지 패턴이 있다. 물 분자는 3개의 축을 회전축으로 해서 각각 그림과 같이 회전한다.
5. 새로운 분자를 인공적으로 만든다.
5-1. 기술적 진보로 인해, '분자의 설계'가 가능해졌다.
화학자들은 지금까지 막대한 실험을 바탕으로, 다양한 분자의 합성 방법을 연구해 왔다. 그 결과, 온도나 압력을 극단적으로 높이거나 낮추는 등, 어느 특정 조건을 정밀하게 제어해서 '분자를 설계'하는 일도 가능해졌다. 예컨대, 반응성 높은 물질을 '비활성 용매'로 묽게 해 동결하거나, 특정 물질하고 조금씩 반응시킬 수도 있다. 또 분자에 레이저 같은 일정 파장의 전자기파를 쬐거나, '전기마당(전기장)'이나 '자기마당(자기장)'을 걸면, 일반적인 상황에서 일어나지 않는 반응을 일으킬 수도 있다. 4종의 염기를 설계도에 따른 순서로 자동적으로 연결시키는 '핵산 자동 합성 장치(automated polynucleotide synthesizer)'들도 만들어졌다.
5-2. 새로운 분자를 합성하기 위한 3가지 측면의 접근 방법
'기술적 진보' 이외에, '이론적 진보'도 분자 설계를 가능케 하고 있다. 여기에서는 3가지 크게 측면의 접근 방법을 살펴본다.
- 첫 번째는 '양자 화학 계산(quantum chemistry calculations)'으로, 이것은 '양자 역학(quantum theory)'의 이론을 응용해 분자 반응을 대형 컴퓨터를 사용해 계산하는 것이다.
- 두 번째는 반응에 대한 화학 지식을 컴퓨터에게 가르쳐 주고, 화학 반응의 방정식을 자동적으로 예측시키는 '인공 지능(AI)'을 활용하는 방법이다. 이 시도는 1970년대부터 미국의 화학자들에 의해 시작되었으며, 현재는 아주 복잡한 반응의 설계라도 숙련된 화학자에게 뒤떨어지지 않는 기능을 보여주고 있다.
- 세 번째는 약간 수학적인 접근 방법이다. 분자 속에 있는 원자의 골격을 하나의 네트워크로 생각한다. 화학 반응에서는 다수의 간단한 반응이 뒤얽혀 반응의 네트워크를 이루고 있다. 그래서 이런 네트워크가 가진 수학적 가능성을 해석하거나 네트워크의 '성질을 유도해 내는 알고리즘'을 탐색하는 것이다. 이 '네트워크 분석(network analysis)'는 '그래프 이론(graph theory)'이나 '조합 이론(combinatorics)' 등 수학의 새로운 분야와 함께 발전하고 있다.
5-3. 어떤 '분자 설계'가 이루어졌나?
- 고리 모양 '크라운 에테르(crown ether)'의 일종인, '18-크라운-6-에테르(18-crown-6-ether)'는 탄소 원자와 산소 원자가 지그재그의 고리 모양으로 만든 골격이 마치 왕관 같은 형태를 띠고 있다. 안쪽으로 향한 산소 원자는 왕관의 한가운데에 금속 등의 양이온을 꽉 물어 집어넣을 수 있다.
- '아데닌(C5H5N5)'은 핵산 속에도 포함되는 중요한 물질이다. 이것은 유독한 '시안화수소(HCN)'의 5개 분자의 조성을 가지고 있다. 그래서 '시안화수소'를 원료로 해서 '아데닌'까지 이르는 합성법이 탐구되어 멋지게 성공했다.
- 이 밖에도 공 모양의 '풀러렌(fullerene)', 통 모양의 '탄소나노튜브(carbon nanotube)', 산호 같은 '덴드리머(dendrimer)' 등도 만들어졌다.