원자 구조 — 양성자, 중성자, 전자

원자 구조는 원자가 양성자, 중성자, 전자로 어떻게 이루어져 있는지를 설명합니다. 아주 짧게 말하면, 양성자는 원소를 결정하고, 중성자는 동위원소를 바꾸며, 전자는 전하를 바꿉니다.

이 세 가지 역할을 따로 구분해 두면 초반에 나오는 대부분의 질문이 훨씬 쉬워집니다. 어떤 원자인지, 특정 동위원소인지, 중성인지 이온인지 구별할 수 있게 됩니다.

원자 구조 한눈에 보기

원자는 중심에 아주 작은 원자핵이 있고, 그 바깥에 전자가 있습니다. 원자핵에는 양성자와 중성자가 들어 있으므로, 원자의 질량 대부분은 원자핵에 모여 있습니다.

기초 화학에서는 다음 그림이 가장 중요합니다:

• 양성자는 양전하를 띠며 원자핵 안에 있다
• 중성자는 전하가 없으며 원자핵 안에 있다
• 전자는 음전하를 띠며 원자핵 주위의 영역을 차지한다

각 입자가 바꾸는 것

양성자

양성자는 원자핵 안에 있으며 양전하를 띱니다. 양성자의 수가 원자번호이고, 이 수가 원소를 결정합니다.

원자에 양성자가 8개 있으면 산소입니다. 양성자가 6개 있으면 탄소입니다. 중성자의 수가 바뀌어도 이 사실은 변하지 않습니다.

중성자

중성자도 원자핵 안에 있지만 전하를 띠지 않습니다. 중성자는 질량을 더해 주고, 같은 원소의 서로 다른 동위원소를 구별하게 해 줍니다.

중성자 수를 바꾼다고 새로운 원소가 되는 것은 아닙니다. 탄소-12와 탄소-14처럼, 같은 원소의 다른 동위원소가 됩니다.

전자

전자는 음전하를 띠며 원자핵 주위의 영역을 차지합니다. 기초 화학에서는 전자가 껍질이나 에너지 준위를 채운다고 설명하는 경우가 많습니다.

전자는 결합과 이온 형성에서 특히 중요합니다. 원자가 중성이면 전자 수와 양성자 수가 같습니다. 원자가 이온이면 이 같음이 더 이상 성립하지 않습니다.

원자번호 vs. 질량수

이 두 용어는 둘 다 어떤 개수를 나타내기 때문에 헷갈리기 쉽지만, 서로 다른 질문에 답합니다.

원자번호는 그 원자가 가진 양성자의 수를 알려 줍니다:

$$\text{atomic number} = \text{number of protons}$$

질량수는 하나의 특정한 원자 안에 있는 양성자와 중성자의 총수를 알려 줍니다:

$$\text{mass number} = \text{protons} + \text{neutrons}$$

따라서 한 동위원소의 질량수가 주어지면, 중성자 수는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

$$\text{neutrons} = \text{mass number} - \text{atomic number}$$

이 뺄셈은 탄소-12나 나트륨-23처럼 하나의 동위원소의 질량수를 사용할 때만 성립합니다. 주기율표에 있는 소수값은 다릅니다. 그것은 하나의 원자에 대한 질량수가 아니라 가중 평균 원자량입니다.

예제: 탄소-12

탄소-12는 각 입자의 개수가 서로 다른 의미를 잘 보여 주기 때문에 좋은 예입니다.

탄소의 원자번호는 6이므로, 모든 탄소 원자는 양성자를 6개 가집니다. 탄소-12라는 이름은 질량수가 12라는 뜻이므로,

$$\text{neutrons} = 12 - 6 = 6$$

원자가 중성이면 전자도 6개입니다. 중성 원자는 양성자 수와 전자 수가 같기 때문입니다.

따라서 중성인 탄소-12 원자는 다음과 같습니다:

1. 양성자 6개
2. 중성자 6개
3. 전자 6개

이 한 가지 예만으로도 각 역할을 분명히 나눌 수 있습니다. 양성자 6개는 이 원자가 탄소임을 뜻하고, 중성자 6개는 탄소-12 동위원소임을 뜻하며, 전자 6개는 전하를 띠지 않는 중성 상태임을 뜻합니다.

왜 원자 구조가 중요한가

원자 구조는 기초 화학의 많은 내용을 시작하는 출발점입니다. 어떤 입자가 무엇을 바꾸는지 알게 되면, 뒤에 나오는 주제들이 더 이상 따로따로 느껴지지 않습니다.

• 양성자 수는 주기율표와 직접 연결된다.
• 전자 수는 이온과 화학 결합을 설명하는 데 도움이 된다.
• 중성자 수는 동위원소와 원자 질량 차이를 설명하는 데 도움이 된다.

그래서 원자 구조는 전자 배치, 주기적 경향성, 화학 결합에서도 다시 등장합니다.

원자 구조에서 흔한 실수

원자번호와 질량수를 같은 것으로 생각하기

둘은 서로 바꿔 쓸 수 없습니다. 원자번호는 양성자만 셉니다. 질량수는 양성자와 중성자를 함께 셉니다.

중성자가 원소를 바꾼다고 생각하기

그렇지 않습니다. 중성자 수가 다른 원자는 보통 다른 원소가 아니라 같은 원소의 다른 동위원소입니다.

중성 원자 조건을 잊기

전자 수와 양성자 수가 같은 것은 원자가 중성일 때뿐입니다. 이온에서는 전하에 따라 전자 수가 달라집니다.

주기율표의 원자량을 질량수로 사용하기

주기율표에는 보통 평균 원자량이 적혀 있습니다. 그 소수값에서 원자번호를 빼고 하나의 정확한 원자에 대한 중성자 수를 구하려고 하면 안 됩니다.

원자 구조를 사용하는 때

원자 구조는 다음을 배울 때 사용합니다:

1. 동위원소
2. 이온
3. 전자 배치
4. 주기적 경향성
5. 화학 결합

또한 핵종 표기법을 읽는 첫 단계이기도 하고, 같은 원소의 원자라도 질량이 서로 다를 수 있는 이유를 이해하는 데도 필요합니다.

직접 해 보기

다음으로 나트륨-23을 해 보세요. 나트륨의 원자번호는 11이므로, 먼저 양성자 수를 찾고, 그다음 중성자 수를 구한 뒤, 중성 원자의 전자 수를 구해 보세요.

그다음 중성 나트륨과 $Na^+$를 비교해 보세요. 양성자 수가 원소를 결정하고, 전자 수가 전하를 결정한다는 점을 간단하게 확인할 수 있습니다.