물질의 구성

앞에서

먼저 알 것 · 중1 · 물질의 상태 변화입자 모형물질은 매우 작은 입자로 되어 있고 입자는 끊임없이 움직여요. 고체 · 액체 · 기체는 입자의 배열과 움직임이 달라서 생기는 차이예요.

먼저 알 것 · 중2 · 물질의 특성순물질과 혼합물한 가지 물질로만 된 것이 순물질(물 · 산소 · 금), 두 가지 이상의 순물질이 섞인 것이 혼합물(공기 · 바닷물 · 우유)이에요. 순물질은 밀도 · 녹는점 · 끓는점이 일정하고, 혼합물은 섞인 비율에 따라 달라지고 끓는 동안에도 온도가 변해요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 물질의 구성원소와 화합물

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다음에

같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 화학 결합원소와 화합물원소들은 전자를 주고받거나(이온 결합) 함께 써서(공유 결합) 화합물을 만들고, 결합하는 방식에 따라 물질의 성질이 달라져요.

더 이상 다른 물질로 나뉘지 않는, 물질을 이루는 기본 성분을 원소라고 해요. 수소 · 산소 · 탄소 · 철 · 금이 원소예요. 지금까지 알려진 원소는 118가지이고, 그중 90가지쯤이 자연에서 발견돼요. 두 가지 이상의 원소가 결합해 만들어진 물질은 화합물이에요. 물 · 이산화 탄소 · 소금(염화 나트륨) · 설탕은 화합물이에요.

18세기 프랑스의 라부아지에는 뜨겁게 달군 쇠 관에 물을 흘려 보내 수소를 얻었고, 그때까지 원소로 여겨졌던 물이 원소가 아니라는 것을 보였어요. 오늘날에는 물에 전류를 흘려 같은 사실을 확인해요.

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물의 전기 분해

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자료 · 계산 물의 전기 분해에서 (−)극의 수소와 (+)극의 산소가 부피 2 : 1 로 모이는 것으로 만든 가상 실험

해 볼 것 · ▶ 를 눌러 전류를 흘리고 두 시험관에 모이는 기체의 부피를 비교해 보세요. 기체가 모이면 성냥불과 꺼져 가는 불씨로 어떤 기체인지 확인하고, 극을 바꾸면 어떻게 되는지도 봐요.

물은 전기 에너지를 받아 (−)극에서 수소, (+)극에서 산소로 나뉘어요. 모인 부피는 수소가 산소의 약 2배예요. 수소는 불에 타는 기체이고 산소는 다른 물질이 타는 것을 돕는 기체인데, 둘이 결합한 물은 불을 끄는 데 써요. 화합물은 그것을 이루는 원소와 성질이 전혀 달라요.

원소는 원소 기호로 나타내요. 원소 이름(대개 라틴어나 영어)의 첫 글자를 대문자로 쓰고, 첫 글자가 같은 원소가 있으면 둘째 글자를 소문자로 덧붙여요(C 탄소 · Ca 칼슘 · Cl 염소). 19세기 스웨덴의 베르셀리우스가 처음 알파벳 원소 기호를 만들었어요.

원소	원소 기호	이름의 유래
수소	H	Hydrogen — '물을 만드는 것'
산소	O	Oxygen — '산을 만드는 것'
탄소	C	Carbon
질소	N	Nitrogen
나트륨	Na	Natrium (라틴어)
칼륨	K	Kalium (라틴어)
철	Fe	Ferrum (라틴어)
구리	Cu	Cuprum (라틴어)
금	Au	Aurum (라틴어)

같이 풀어 보기 1원소일까, 화합물일까

산소, 물, 철, 이산화 탄소, 헬륨, 염화 나트륨을 원소와 화합물로 나누세요.

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• 원소: 산소 · 철 · 헬륨 — 한 가지 원소로만 되어 있어요.
• 화합물: 물(수소 + 산소) · 이산화 탄소(탄소 + 산소) · 염화 나트륨(나트륨 + 염소) — 두 가지 원소가 결합해 있어요.

같이 풀어 보기 2물을 나누면

물을 전기 분해할 때 (−)극 쪽 시험관에 10 mL 의 기체가 모였다면 (+)극 쪽에는 약 몇 mL 가 모일까요? 두 기체의 이름도 쓰세요.

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(−)극 쪽 기체(수소)의 부피가 (+)극 쪽 기체(산소)의 약 2배이므로, (+)극 쪽에는 약 5 mL 의 산소가 모여요. (−)극 쪽 기체는 수소예요.

앞에서

먼저 알 것 · 중1 · 물질의 상태 변화입자 모형물질은 매우 작은 입자로 되어 있고 입자는 끊임없이 움직여요. 고체 · 액체 · 기체는 입자의 배열과 움직임이 달라서 생기는 차이예요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 물질의 구성원자의 구조

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같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 원소의 주기성원자의 구조전자는 원자핵 둘레의 전자 껍질에 배치되고, 가장 바깥 껍질의 전자(원자가 전자) 수가 원소의 화학적 성질을 정해요.

이어지는 것 · 중2 · 전기와 자기마찰 전기와 정전기 유도서로 다른 두 물체를 문지르면 전자가 한 물체에서 다른 물체로 옮겨 가요. 전자를 잃은 물체는 (+)전하, 얻은 물체는 (−)전하를 띠고(대전), 같은 종류의 전하끼리는 밀고 다른 종류끼리는 당겨요(전기력). 대전체를 금속에 가까이 하면 금속 속 전자가 끌려오거나 밀려나 가까운 쪽에 다른 종류, 먼 쪽에 같은 종류의 전하가 모여요(정전기 유도).

원소를 이루는 가장 작은 알갱이를 원자라고 해요. 원자는 지름이 약 1억 분의 1 cm 로 아주 작아요. 1800년대 초 영국의 돌턴은 원자를 더 쪼갤 수 없는 단단한 공으로 생각했지만, 그 뒤 원자 속에서 더 작은 입자들이 발견됐어요.

• 원자핵: 원자의 가운데에 있어요. (+)전하를 띤 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 되어 있어요. 원자의 질량은 거의 원자핵에 모여 있어요.
• 전자: (−)전하를 띠고 원자핵 둘레를 움직여요. 아주 가벼워요.

원자핵은 원자보다 10만 배쯤 작아요. 원자를 지름 100 m 의 운동장만큼 키우면 원자핵은 그 가운데 놓인 지름 1 mm 의 모래알만 하고, 나머지는 전자가 움직이는 빈 공간이에요.

원소마다 원자핵 속 양성자 수가 달라요. 그래서 양성자 수에 따라 원소에 번호를 매기고 이것을 원자 번호라고 해요. 수소는 양성자가 1개라 원자 번호 1, 산소는 8개라 원자 번호 8 이에요. 양성자 하나와 전자 하나의 전하량은 크기가 같고, 원자는 양성자 수와 전자 수가 같아서 전체적으로 전기를 띠지 않아요(중성).

수소 H

헬륨 He

리튬 Li

탄소 C

• 양성자 (+)
• 중성자
• 전자 (−)

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원자 만들기

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자료 · 계산 원소 1 ~ 20번의 양성자 수와 가장 흔한 원자의 중성자 수로 그린 모형 (전자는 한 겹으로만 — 전자 껍질은 고등학교)

해 볼 것 · 양성자를 하나씩 더하거나 빼 보세요 — 원소가 바뀌어요. 전자만 더하거나 빼면 원소는 그대로이고 전체 전하만 바뀌어요. 아래 단추로 나트륨 이온 · 염화 이온 같은 이온도 만들어 봐요.

같이 풀어 보기 3나트륨 원자 속

원자 번호가 11 인 나트륨 원자에서 양성자 수, 전자 수, 원자핵의 전하를 쓰세요.

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원자 번호는 양성자 수이므로 양성자는 11개, 원자는 중성이라 전자도 11개예요. 원자핵에는 양성자만 전하를 띠므로 원자핵의 전하는 +11 이에요.

같이 풀어 보기 4원소를 정하는 것

어떤 원자의 원자핵에 양성자 하나를 더 넣으면 어떤 일이 생길까요? 탄소(원자 번호 6)로 예를 들어 설명하세요.

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원소의 종류는 양성자 수가 정해요. 탄소의 양성자가 6개에서 7개가 되면 원자 번호 7 인 질소가 돼요. 전자 수만 바뀌는 것과 달리, 양성자 수가 바뀌면 다른 원소가 돼요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 물질의 구성주기율표

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같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 원소의 주기성주기율표같은 족 원소는 원자가 전자 수가 같아 화학적 성질이 비슷하고, 이런 성질이 원자 번호에 따라 주기적으로 되풀이돼요(주기성).

1869년 러시아의 멘델레예프는 그때까지 알려진 원소 60여 가지를 가벼운 것부터 늘어놓다가, 성질이 비슷한 원소가 일정한 간격으로 되풀이된다는 것을 알아냈어요. 그는 표에 빈칸을 남겨 두고 아직 발견되지 않은 원소의 성질을 예언했는데, 몇 해 뒤 갈륨이, 그 뒤 저마늄이 발견되어 예언이 맞았어요.

오늘날의 주기율표는 원소를 원자 번호(양성자 수) 차례로 늘어놓되, 성질이 비슷한 원소가 같은 세로줄에 오도록 만든 표예요.

• 족: 세로줄. 1족 ~ 18족이 있고, 같은 족 원소는 화학적 성질이 비슷해요.
• 주기: 가로줄. 1주기 ~ 7주기가 있어요.
• 금속 · 비금속: 금속 원소는 주로 주기율표의 왼쪽과 가운데에, 비금속 원소는 오른쪽에 있어요(수소는 왼쪽 위에 있지만 비금속).

위의 수는 족, 왼쪽의 수는 주기

12131415161718

11H2He

23Li4Be5B6C7N8O9F10Ne

311Na12Mg13Al14Si15P16S17Cl18Ar

419K20Ca

1족 금속(리튬 · 나트륨 · 칼륨, 알칼리 금속)은 칼로 잘릴 만큼 무르고, 자른 면은 은빛이었다가 공기와 반응해 곧 뿌옇게 변해요. 물과 반응해 수소 기체를 내놓고, 아래 주기로 갈수록 더 세게 반응해요. 그래서 석유 속에 넣어 보관해요.

18족 원소(헬륨 · 네온 · 아르곤)는 다른 물질과 거의 반응하지 않아요. 그래서 원자 하나하나가 떨어진 채 기체로 있고, 불에 타지 않는 헬륨은 풍선에, 필라멘트와 반응하지 않는 아르곤은 전구 속에 넣어요.

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주기율표 탐험

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자료 · 계산 원소의 원자 번호 · 족 · 주기 · 실온 상태 (IUPAC 주기율표)

해 볼 것 · 원소를 눌러 원자 번호 · 족 · 주기 · 쓰임을 보세요. 위의 단추로 금속 · 비금속, 실온 상태를 색으로 나눠 보고, 아래에서 1족 원소를 물에 넣어 보고 18족 원소의 쓰임을 비교해요.

같이 풀어 보기 5같은 족, 다른 주기

나트륨(원자 번호 11)과 같은 족에 있는 원소 두 가지와, 나트륨과 같은 주기에 있는 18족 원소를 쓰세요.

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나트륨은 1족 3주기예요. 같은 1족 금속은 리튬(2주기) · 칼륨(4주기) 이고, 3주기의 18족 원소는 아르곤이에요.

같이 풀어 보기 6비슷한 성질 찾기

리튬 · 나트륨 · 칼륨이 같은 족에 있다는 것을 실험으로 보여 주려면 어떤 성질을 비교하면 좋을까요? 실험할 때 조심할 점도 쓰세요.

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세 금속을 물에 넣었을 때 수소 기체를 내며 반응하는지를 비교해요(무른 정도, 자른 면의 색이 변하는 것도 비슷해요). 물과 아주 세게 반응해 위험하므로 아주 작은 조각으로 선생님이 시범을 보이거나 영상으로 봐요.

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중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 물질의 구성분자와 화학식

이 단원 · 중2 · 물질의 구성이온

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같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 화학 결합분자와 화학식비금속 원자들이 전자쌍을 함께 써서 분자를 만들고(공유 결합), 분자의 모양은 결합한 원자들의 배치로 정해져요.

이어지는 것 · 중3 · 화학 반응의 규칙성화학 반응식과 계수비반응물과 생성물을 화학식으로 쓰고, 양쪽의 원자 수가 같도록 계수를 맞춘 식이 화학 반응식이에요. 계수의 비는 반응하는 입자(분자) 수의 비예요.

같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 화학 결합이온양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합한 것이 이온 결합이에요(염화 나트륨). 산과 염기의 성질도 수소 이온 · 수산화 이온으로 설명해요.

물질을 이루는 입자는 세 가지 모습으로 있어요.

• 분자: 원자가 결합해 만들어진, 물질의 성질을 띠는 가장 작은 입자예요. 산소 분자는 산소 원자 2개, 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개, 이산화 탄소 분자는 탄소 원자 1개와 산소 원자 2개로 되어 있어요.
• 원자: 철 · 구리 같은 금속과 헬륨 · 네온 같은 18족 원소는 원자가 그대로 많이 모여 물질을 이뤄요.
• 이온: 염화 나트륨(소금)은 나트륨 이온과 염화 이온이 번갈아 쌓여 있어요.

수소 H₂

산소 O₂

질소 N₂

물 H₂O

이산화 탄소 CO₂

암모니아 NH₃

• H 수소
• O 산소
• N 질소
• C 탄소

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자료 · 계산 PubChem 3D 이형태 좌표 (미국 국립 의학 도서관, 공공 영역) — 분자 91가지. 교과서에서 결합각을 배우는 작은 분자(물 · 암모니아 · 이산화 황 등)와 PubChem 에 3D 가 없는 분자(SF₆ · PCl₅ · C₆₀ 등)는 실험으로 잰 결합 길이 · 각도로

헬륨 He

구리 Cu

염화 나트륨 NaCl

• He 헬륨
• Cu 구리
• Na 나트륨
• Cl 염소

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결정 3D — 이온 결정과 탄소

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자료 · 계산 결정 구조는 Crystallography Open Database(CC0) — 얼음 #9015208 · 염화 나트륨 #1000041 · 다이아몬드 #9008564 · 흑연 #9011577 · 석영 #1011097. 밀도는 단위 격자 속 원자의 질량 ÷ 부피로 계산

해 볼 것 · 염화 나트륨을 돌려 나트륨 이온 하나를 염화 이온 몇 개가 둘러싸는지 세어 보세요. 다이아몬드와 흑연은 같은 탄소 원자로 되어 있지만 배열이 어떻게 다른지 견줘 봐요. ‘실제 크기’를 켜면 이온이 빈틈없이 쌓인 모습이에요.

물질은 원소 기호와 숫자로 화학식을 써서 나타내요. 원소 기호 오른쪽 아래에 그 원자의 수를 쓰고(1은 쓰지 않아요), 분자가 여러 개이면 화학식 앞에 그 수를 써요.

• 물 $\mathrm{H_2O}$ — 수소 원자 2개, 산소 원자 1개. 물 분자 3개는 $\mathrm{3H_2O}$.
• 이산화 탄소 $\mathrm{CO_2}$ · 암모니아 $\mathrm{NH_3}$ · 메테인 $\mathrm{CH_4}$ · 산소 $\mathrm{O_2}$ · 오존 $\mathrm{O_3}$
• 원자로 된 물질은 원소 기호 그대로(구리 $\mathrm{Cu}$, 헬륨 $\mathrm{He}$), 이온으로 된 염화 나트륨은 $\mathrm{NaCl}$.

$\mathrm{2H}$ 는 따로 떨어진 수소 원자 2개, $\mathrm{H_2}$ 는 수소 원자 2개가 결합한 수소 분자 1개예요.

원자가 전자를 잃거나 얻으면 전하를 띤 이온이 돼요. 이온이 될 때 원자핵(양성자 · 중성자)은 그대로이고 전자 수만 바뀌어요.

• 양이온: 전자를 잃어 (+)전하를 띤 이온 — 나트륨 이온 $\mathrm{Na^+}$, 마그네슘 이온 $\mathrm{Mg^{2+}}$ 처럼 원소 이름 뒤에 '이온'을 붙여요.
• 음이온: 전자를 얻어 (−)전하를 띤 이온 — 염화 이온 $\mathrm{Cl^-}$, 산화 이온 $\mathrm{O^{2-}}$ 처럼 원소 이름 끝을 '~화 이온'으로 불러요.

이온은 원소 기호 오른쪽 위에 잃거나 얻은 전자 수와 전하의 종류를 써서 나타내요(이온식, 1은 쓰지 않아요).

나트륨 Na

나트륨 이온 Na⁺

염소 Cl

염화 이온 Cl⁻

• 원자핵 (+전하량)
• 전자 (−)

이온이 전하를 띤다는 것은 이온이 녹아 있는 수용액에 전류를 흘려 보면 알 수 있어요. 다른 종류의 전하끼리는 끌어당기므로 양이온은 (−)극 쪽으로, 음이온은 (+)극 쪽으로 움직여요. 대부분의 이온은 색이 없지만, 구리 이온은 파란색, 과망가니즈산 이온은 보라색이라 움직이는 것을 눈으로 볼 수 있어요.

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이온의 이동

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자료 · 계산 질산 칼륨 수용액에 적신 거름종이 위 구리 이온(파랑) · 과망가니즈산 이온(보라)의 이동으로 만든 가상 실험

해 볼 것 · ▶ 를 눌러 전류를 흘려 보세요. 파란색과 보라색이 어느 극 쪽으로 움직이는지 보고, 극을 바꾸면 어떻게 되는지 확인해요.

같이 풀어 보기 7화학식 읽기

$\mathrm{2CO_2}$ 에 들어 있는 탄소 원자와 산소 원자는 각각 몇 개일까요?

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이산화 탄소 분자 하나에 탄소 원자 1개, 산소 원자 2개가 있고 분자가 2개이므로 탄소 원자 2개, 산소 원자 4개예요.

같이 풀어 보기 8이온 만들기

마그네슘 원자(원자 번호 12)가 전자 2개를 잃어 생긴 이온의 이온식과 이름, 그 이온의 전자 수를 쓰세요.

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전자 2개를 잃으면 (+)전하가 2만큼 많아져 마그네슘 이온 $\mathrm{Mg^{2+}}$ 이 돼요. 전자는 $12 - 2 = 10$, 10개예요(양성자는 그대로 12개).

한 장 요약

한 장 요약

1. 원소: 더 이상 나뉘지 않는 물질의 기본 성분(118가지). 화합물: 두 가지 이상의 원소가 결합한 물질. 물을 전기 분해하면 (−)극에 수소, (+)극에 산소가 부피 2 : 1 로 모여요. 원소 기호는 첫 글자 대문자 + 둘째 글자 소문자.
2. 원자 = 원자핵(양성자 (+) · 중성자) + 전자 (−). 원자 번호 = 양성자 수 — 양성자 수가 원소를 정해요. 원자는 양성자 수 = 전자 수라 중성.
3. 주기율표: 원자 번호 차례, 세로줄 족 · 가로줄 주기. 같은 족은 성질이 비슷 — 1족 금속은 물과 반응해 수소를 내고, 18족은 거의 반응하지 않아요. 금속은 왼쪽 · 가운데, 비금속은 오른쪽.
4. 물질을 이루는 입자: 분자(물 · 산소 · 이산화 탄소), 원자(금속 · 18족), 이온(염화 나트륨). 화학식 $\mathrm{H_2O}$ · 이온식 $\mathrm{Na^+}$ · $\mathrm{Cl^-}$. 전자를 잃으면 양이온, 얻으면 음이온 — 전류를 흘리면 양이온은 (−)극, 음이온은 (+)극으로.