- 우주를 풍요롭게 만드는 화학결합

이 세상을 이루는 물질은 모두 몇 가지로 이루어져 있을까? 수천, 수만 가지라고 해도 모자라다고 생각이 들겠지만 사실 현재까지 알려진 원소는 100여 가지 뿐이다. 그러나 세상에 그보다 훨씬 더 다양한 물질이 존재하는 이유는 이 원소들이 서로 다양한 결합을 맺으며 새로운 물질로 태어나기도 하고, 완전히 다른 성질을 띠는 물질이 되기도 하기 때문이다. 물질을 구성하는 가장 기본적인 단위 원자. 이들은 과연 어떤 방식으로 서로 결합하며 새로운 물질을 창조하는 것일까?

수소와 헬륨의 차이를 알게 된 힌덴부르크 호의 비극
비행기가 지금처럼 대중화되지 않았던 1900년대 초, 사람들은 먼 거리를 이동하기 위해 거대한 비행선을 이용했다. 비행선은 몸체에 공기보다 가벼운 기체를 채워 넣은 다음 그 부력을 이용해 하늘로 떠올라 프로펠러로 날 수 있는 이동수단이었다.

그중에서도 ‘힌덴부르크’라는 이름을 가진 비행선은 ‘하늘을 나는 타이타닉’이라고 불릴 만큼 엄청나게 거대하고 화려했다. 크기는 축구장 세 배 정도였으며 내부에는 승객을 위한 객실과 식당, 연주용 그랜드 피아노와 산책용 통로까지 마련돼 있었다.

대서양 횡단에 성공하며 나치 독일의 상징으로 불렸던 힌덴부르크 호는 뜻밖에도 1937년 비극적인 사고를 당했다. 독일에서 출발해 대서양을 횡단한 비행선이 미국 뉴저지 주의 해군 비행장에 착륙하기 전 ‘쾅!’하는 폭음과 함께 공중에서 커다란 화염에 휩싸인 것이다. 비행장은 순식간에 아수라장이 되었고 이 사건과 함께 비행선의 시대는 막을 내렸다.
 

힌덴부르크 호가 폭발한 원인은 무엇이었을까? 그것은 바로 ‘수소’ 때문이었다. 당시에는 비행선을 띄우기 위해 수소(H) 기체를 사용했다. 당시에는 수소가 작은 충격에도 엄청난 반응성을 띠는 불안정한 기체라는 사실을 몰랐던 것이다. 사건 이후 비행선에 사용되는 기체들은 수소처럼 가벼우면서도 반응성이 적어 안정한 헬륨(He)으로 바뀌게 되었다.

그렇다면 헬륨은 왜 안정적일까? 헬륨은 주변에 불꽃이 있어도 폭발하지 않을 정도로 매우 안정해 다양한 분야에서 활용된다. 헬륨처럼 반응성이 적고 안정적인 원소는 네온, 아르곤 등이 있다. 그리고 이들의 공통점은 모두 18족 원소라는 것이다. 주기율표에서 18번째 세로줄에 위치한 이 원소들은 반응성이 매우 적은 원소로, 비활성 기체, 혹은 불활성 기체라고 불린다.

최외각 전자 개수가 원소의 ‘안정성’을 결정한다!
18족 원소들이 안정성을 띠는 이유는 ‘전자 껍질’을 살펴보면 알 수 있다. 원소는 원자핵을 둘러싼 전자가 일정한 궤도를 그리며 도는 형태로 구성돼 있다. 전자가 도는 궤도에는 일정한 규칙이 있는데, 첫 번째 궤도에는 전자가 2개까지, 나머지 궤도에는 최대 8개까지 들어갈 수 있다. 이처럼 원자핵을 둘러싸고 돌고 있는 전자의 궤도를 ‘전자 껍질’이라고 하며 가장 바깥쪽 전자 껍질에 분포하는 전자를 ‘최외각 전자’라고 한다.

가장 바깥 쪽 전자 껍질에 전자가 최대한으로 채워지면 원자는 매우 안정해져서 다른 원자와 거의 반응하지 않는다. 따라서 하나의 전자 껍질을 가진 헬륨은 2개의 전자를 가지기 때문에 안정성을 띠고, 이외 주기율표의 18족에 속하는 원소들은 모두 최외각 전자가 8개이기 때문에 매우 안정하다고 할 수 있다.
 

안정한 상태 되기 위한 선택 ‘화학결합’
주기율표의 18족 원소는 가장 바깥쪽의 전자 껍질에 전자가 모두 채워져 있어 매우 안정하다. 하지만 18족을 제외한 다른 족 원소들은 가장 바깥쪽의 전자 껍질에 전자가 모두 채워져 있지 않아 안정하지 못하다.

수소는 전자 껍질에 들어갈 수 있는 전자의 개수가 헬륨과 마찬가지로 2개이지만, 하나의 전자만을 가진다. 수소와 함께 주기율표 1족에 속하는 원소들은 최외각 전자가 1개이고 반응성이 크다. 이와 마찬가지로 플루오린(F), 브로민(Br)과 같은 17족 원소들은 최외각 전자가 7개로 반응성이 크다.

따라서 이 같은 원소들은 원자 상태로 존재하기 어렵고, 이온결합이나 공유결합 등 화학결합을 통해 18족 원소와 같은 전자 배치를 이루어 안정한 상태가 된다. 원소는 100여 가지에 불과한데도 이 세상이 수많은 물질로 이루어져 있는 것은 원소들이 화학결합으로 다양한 물질을 생성하기 때문이다.

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*에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=30202