생명과학 기초 (기초적인 화학), 1장

 

앞으로 계속될 이 글은 생명과학에 기초지식이 없는 사람부터 더 배우고자 하는 사람들을 대상으로 중요한 기초와 핵심을 위주로 포스팅 해보고자 합니다. 첫 글이니 만큼 생명과학의 기초부터 설명할 것입니다. 이 글은 지식 전달의 오류를 방지하고자 서적과 문헌을 기반으로 작성되었음을 알려드립니다.

 

생명체는 부피와 질량을 갖는 물질로 이루어져 있다.

 

물질은 다양한 형태로 존재한다. 또한 물질은 원소들로 이루어져 있다. 원소는 화학반응에 의해서 더 이상 분해되지 않는 물질이다. 현재 지구상에는 금과 구리, 탄소, 산소 등 92개의 원소가 알려져 있다. 화합물은 두 개 이상의 다른 원소들이 특정 비율로 결합되어 있는 형태이다. 예를 들어 소금은 염화나트륨(NaCl)으로서 소듐(Na)과 염소(Cl)가 1:1의 비율로 이루어진 화합물이다. 순수한 소듐은 금속이며 순수 염소는 독성이 강한 기체이다. 그러나 이들이 화학적으로 결합하면 우리가 먹을 수 있는 화합물이 된다. 또 다른 화합물인 물(H2O)은 수소(H)와 산소(O)가 2:1의 비율로 이루어져 있다. 이것이 바로 조직화된 물질이 나타내는, 구성물이 가지고 있지 않던 창발적 특징(emergent propertity)의 간단한 예이다. 즉, 화합물은 구성 원소들과는 다른 화학적, 물리적 특징을 갖게 된다.

 

원소의 성질은 이를 구성하는 원자들의 구조에 의해 결정된다.

 

각 원소는, 다른 원소들의 원자들과 차별되는 한 종류의 원자로 이루어져 있다. 원자(atom)는 원소의 특성을 유지하고 있는 물질의 가장 작은 단위로 그 크기가 매우 작아 이 문장 끝의 구두점을 가로지르기 위해서는 약 100만 개가 모여야 될 것이다. 원자의 기호는 그 원자가 이루는 원소의 기호와 동일하게 표기된다. 예를 들어, 기호 O는 산소 원소를 나타내며 또한 하나의 산소원자를 나타내기도 한다.

 

아원자 입자

 

원자는 원소의 성질을 유지하고 있는 가장 작은 단위이지만 원자 역시, 보다 작은 입자인 아원자 입자(subatomic particle)들로 이루어져 있다. 물리학자들은 고에너지 충돌을 이용하여 원자에서 100가지 이상의 입자들을 만들어냈지만 3가지 종류의 입자들, 즉 중성자(neutron)와 양성자(proton), 전자(electron)들만 다루겠다. 양성자와 전자는 전하를 띠고 있다. 하나의 양성자는 한 단위의 양의 전하를 띠고 있으며 하나의 전자는 한 단위의 음의 전하를 띠고 있다. 중성자는 그 이름에서 알 수 있듯이 전기적으로 중성이다.

양성자와 중성자는 원자의 중앙에서 치밀하게 뭉쳐서 밀도가 높은 원자핵(atomic nucleus)을 형성한다. 원자핵은 양성자로 인해서 양의 전하를 띠게 된다. 전자는 핵주변에서 음의 전하구름을 형성하고, 이러한 반대 전하 사이의 인력에 의해 전자가 원자핵의 주변에 위치하게 되는 것이다.

중성자와 양성자는 하나당 약 1.7 X 10-24g으로 거의 동일한 질량을 가지고 있다. 이렇게 매우 작은 입자들의 무게를 표시하는 단위로 그램이나 여타 일반적인 무게 단위는 편리하지 않아 원자와 아원자 입자(분자의 경우도 역시)의 무게를 표시할 때는 달톤(Dalton)이라는 단위[달톤은 원자질량단위]atomic mass unit)인 amu와 동일한 단위]를 쓴다. 중성자와 양성자의 무게의 1/2,000에 지나지 않아, 원자의 무게를 생각할 때 전자의 무게는 무시될 수 있다.

 

원자번호와 원자량

 

원자번호 = 특정 원소의 모든 원자들은 원자핵에 일정한 개수의 양성자를 가지는데, 이 숫자는 원소마다 모두 다르며 이것을 원자번호(atomic number)라 한다. 원소 기호의 왼쪽에 아래 첨자로 표시된다.

 

질량수 = 원자핵의 양성자와 중성자를 합친 수

       = 양성자의 수 + 중성자의 수

       = 산소의 경우 16

원자번호 = 양성자의 수

         = 산소의 경우 8

 

중성자의 수 = 질량수 – 원자번호

            = 16-8 = 산소의 경우 8

 

이와 같이 다양한 원자들의 원자번호만 알고 있다면, 해당 원자의 질량수 또는 양성자 수와 중성자의 수까지 계산해 알 수 있다.

 

다음 내용으로는 전자배치와 다양한 화학결합에 대해서 알아보고자 한다.