기초화학 그리고 라돈사태

 

안녕하세요? 닥터QL 김성훈입니다. 즐거운 추석연휴 보내고 계신지요? 저는 수요일(26일)부터 출근해서 진료를 보는 관계로, 벌써 마음의 정리를 하고 있습니다. 오늘은 중학교/고등학교 화학시간에 배운 원소부터 시작해서, 주기율표, 최근 이슈가 되고 있는 라돈사태에 대해 종합적으로 살펴보려고 합니다. 제 포스팅은 스케일이 크기로 정평이 나 있는것 아시죠? 그럼 출발해 볼까요? ^^

 

1. 원소(element), 원자(atom), 분자(molecule)이란 무엇인가?

물은 'H2O'로 표기를 합니다. 즉 물을 분해하면, 수소(H)와 산소(O)로 나누어지며, 수소와 산소는 더이상 다른 물질로 분해되지 않습니다. 이처럼, 다른 물질로 분해되지 않는 물질의 기본 성분을 원소, element 라고 합니다. 

 

 

원소(element)는 독특한 화학적 특징을 갖는 입자를 묶어서 부르는 집합의 이름이고, 원자(atom)은 그러한 (원소의) 집합에 포함되는 하나 하나의 독립된 입자를 나타냅니다. 예를 들면, 우리가 개념적으로 아는 사과, 복숭아, 참외는 각각의 '원소'입니다. 실제로, 과일 가게에 가서, 사과 10개를 담아 달라고 할 때는, 원자(atom)의 개념입니다.

분자(molecule)은 원자(atom)으로 이루어진 물질을 말합니다. 자연 상태로 존재할 수 있는 순수한 물체의 최소 단위를 말하지요. 물분자는 H2O인데, 이것을 더 분해하면 물의 성질을 잃게됩니다.

 

2. 원소와 오비탈

가장 바깥쪽 '껍질'을 담당하는, '최외각 전자'가 원소의 화학적 성질을 결정합니다. 주기율표의 각 세로줄은 '같은 수의 최외각 전자'를 가진 원소들로 나열되어 있습니다. 따라서, 같은 세로줄의 원소들은 비슷한 화학적 성질을 가지게 됩니다. (같은 '족'이라고 표현합니다)

① 각 원소는 원자번호로 정의하게 됩니다. 원자번호는 원자핵에 들어있는 양성자의 수를 나타내기도 합니다. 양성자의 수는 핵 주위에 몇개의 전자가 궤도를 돌지 결정하게 됩니다. 즉, 양성자의 갯수만큼 핵 주위 '오비탈(궤도)'에 (-)전하를 띄는 전자가 존재합니다.

② 전자는 궤도를 도는 것이 아니고, '확률 구름 형태'로 분포합니다. 즉, 특정 시간에 특정 장소에 존재하는 것이 아니고, 확률로 표시합니다. 이때 등장하는 것이 '오비탈(orbital)'입니다.

 

 

③ 오비탈은 원자핵 주위에서 전자가 발견될 확률을 나타내거나, 전자가 어떤 공간을 차지하는가를 표현하는 함수입니다. 오비탈의 종류로는 s오비탈, p오비탈, d오비탈, f오비탈이 있습니다.

전자들이 실제로는 행성 주변을 도는 별처럼 움직이지 않습니다. 사실, 전자가 움직인다고 표현하기도 어렵습니다. 대신, 전자는 확률 구름 형태로 존재하며, 한 장소에 있을 가능성이 높지만, 그렇다고 특정 시간, 특정 장소에 있지는 않습니다. 핵주위 전자들이 나타내는 확률 구름의 3차원 형태가 바로 '오비탈'입니다.

첫 번째 형태인 's'오비탈은 완전한 대칭이고, 전자는 한 방향으로 치우치지 않습니다. 'p'오비탈은 아령모양입니다. 이는 전자가 핵의 한쪽이나 다른 쪽에서 발견될 가능성이 크고, 가운데 쪽에서는 발견될 가능성이 적다는 뜻입니다.

's'오비탈의 종류는 한가지이지만, 'p'오비탈은 직각공간의 좌표(x,y,z)에서 3가지가 나올 수 있습니다. 비슷하게 'd'오비탈은 5가지, 'f'오비탈은 7가지 모양이 있습니다.

④ 오비탈의 각 형태는 다양한 크기로 나타날 수 있습니다. 예를 들어 1s오비탈은 작은 공 모양이지만, 2s오비탈은 더 큰 공 모양이고, 3s는 조금 더 큰 공 모양입니다. 오비탈이 커질 때마다, 전자를 오비탈 안에 잡아두기 위한 에너지도 커지게 됩니다. 다른 조건이 변하지 않는다면, 전자는 가장 작고 에너지가 낮은 오비탈에 머물러 있습니다.

⑤ 원자속 모든 전자들이 에너지 준위가 낮은 1s오비탈에 함께 모여있는 것은 아닙니다. 왜냐하면, 2개의 입자는 같은 양자 상태를 가질 수 없기 때문입니다. 무슨말인가 하면, 전자는 '스핀'이라고 하는 내부 상태를 가지며, 이는 'up', 'down' 2가지로 나누게 됩니다. 따라서, 2개의 입자는 같은 양자 상태를 가질 수 없습니다.

 

 

정확히 두 전자가, 주어진 궤도에 자리를 잡게 됩니다. 하나는 스핀 up, 하나는 스핀 down의 형태입니다. 수소의 경우, 한개의 전자만 가지고 있으므로, 1s오비탈에 자리 잡습니다. 헬륨은 2개의 전자를 가지고 있는데, 둘 모두 수용할 수 있는 1s에 들어갑니다. 리튬은 3개의 전자를 가지는데, 1s에는 더 이상의 공간이 없기 때문에, 세 번째 전자는 좀더 높은 에너지 준위를 가진 2s오비탈로 밀려납니다. 이러한 방식으로 에너지가 증가하는 순서에 따라 오비탈이 채워지는 것입니다.

 

위의 그림은 16번 '황'의 에너지 준위를 나타낸 것입니다. 16개의 전자가, 안정적인 오비탈부터 차곡차곡 채워져서 3p 오비탈까지 전자가 존재하게 됩니다.

화학 결합은 원자 사이의 '전자 교환'을 통해 이뤄집니다. 이때, 오비탈들이 얼마나 효과적으로 겹치는가를 따져서, 화학 결합의 강도를 판단합니다. 

 

3. 주기율표 읽는 방법

원소를 나타내는 기호를 '원소 기호'라고 합니다. 수많은 원소를 특성에 따라 정리하다 보면, 특정 원소가 어떤 성질을 지닐지 쉽게 유추할 수 있습니다. 지금까지 알려진 원소는 위의 표와 같습니다. 노란색 바탕의 원소는 기체이고, 하늘색 바탕의 Br(브롬), Hg(수은)은 액체, 나머지는 원소는 고체상태입니다.

 

① 족(group)과 주기(period)

같은 세로줄에 있는 원소는 같은 족이라고 이야기 합니다. 족의 숫자는 이 원자의 최외각 전자(peripheral electron)의 갯수와 같습니다. 1족 원소는 최외각 전자가 1개, 2족 원소는 최외각 전자가 2개입니다. 3족~12족은 제외하고, 13족이 3개의 최외각 전자, 14족이 4개의 최외각 전자...18족이 8개의 최외각 전자를 갖게 됩니다. 일반적으로 최외각 전자가 8개가 되면 가장 안정됩니다. 최외각 전자가 1개일때는 전자를 잃는 성질이 강하며, 7개일 때는 전자를 한개 얻어 안정화되려고 합니다. 주기(period)는 주양자수(principal quantum number)에 따른 궤도의 레벨따 따라 결정됩니다.

② 비활성 기체 (inert gas)

비활성 기체는 8족의 원소를 말하며, 최외각 전자가 8개이므로 굉장히 안정적입니다. 화학적으로 반응이 없으므로 무색, 무취의 특징을 가지고 있습니다.

③ 알카리 금속 (Alkali metal)

알카리 금속은 1족 원소들을 말하며, 은백색의 무른 금속들입니다. 최외각 전자가 1개이므로, 전자를 잃고 이온화되거나, 산화되는 성질이 강한 원소입니다. 주기가 커질 수록, 원자의 크기가 커지므로, 전자에 대한 영향력이 상대적으로 작아집니다. 그러므로, 원소 번호가 클 수록, 반응성도 커집니다. 나트륨 덩어리를 강에 던지면 어떻게 될까요? ^^;;

④ 알카리토 금속 (Alkali earth metal)

알카리토 금속은 알카리 금속에 비해 반응성이 훨씬 약합니다.

⑤ 할로겐 (Halogen)

7족 원소들을 말합니다. 전자를 한개만 더 얻으면 안정화 되므로, 전자를 얻어 음이온이 되려는 성질이 강하고, 환원되려는 성질 역시 두드러집니다. 할로겐 원소는 주기가 작을 때는 기체의 형태지만, 주기가 커질 수록 고체에서 기체로 변환되려는 성질이 강합니다. 높은 반응성으로 화학 분야에서 굉장히 중요합니다.

⑥ 전이금속 (Transition metal)

3족부터 12족의 d오비탈을 채우기 시작하는 금속원소를 말합니다. 주기율표 작성 초창기 1~2족, 13~18족 원소들은 화학적 특성이 두드러졌지만, 3~12족 원소들은 전형적 원소의 중간 역할을 한다고 해서 '전이금속'이라는 명칭이 붙었습니다. 현재는 전이금속들이 전자궤도에서 d궤도에 전자를 갖고 있는 원소들로 밝혀짐으로써, '전이금속'이라는 용어는 약간 쌩뚱맞게 되었습니다.

 

4. 옥텟 규칙 (Octet rule, 팔전자 규칙)

위의 주기율표에서 언급했듯이, 대부분의 원자는 가장 바깥 껍질의 전자 수가 8개일때 가장 안정화됩니다. 이 화학 규칙은 옥텟 규칙이라고 합니다. 우리가 일상생활에서 보고 느끼는 분자들(가령 물, H2O)은 '옥텟 규칙'을 만족하기 위해 원자들이 서로 결합한 결과로 생긴 입자입니다.

 

예를 들어, 위의 염소(Cl)은 원자번호 17이며, 전자구름이 3개입니다. 가장 바깥쪽 껍질에 전자가 7개 존재하는데, 안정화 되기 위해서는 2가지 방법이 있습니다. 첫번째 방법은, 최외각 전자가 1개인 1족 원자들의 전자를 빼앗는 것이고, 두번째 방법은 다른 원자들과 전자를 공동 소유, 즉 공유하는 방법입니다.

 

위의 그림은 최외각 전자가 1개인 1족 원소, 나트륨(Na)에서 전자를 빼앗아 염소가 안정화 되는 것을 나타냅니다. Na은 전자를 빼앗겨 Na+(나트륨이온)이 되어, 최외각 전자가 8개로 되며 안정화됩니다. Cl은 전자를 하나 가져와서 Cl-(염소이온)이 되고, 마찬가지로 최외각 전자가 8개가 되어 안정화됩니다. 이렇게 만들어진 두 이온은 전기를 띈 입자가 되어, 정전기력(쿨롱의 힘)이 작용하고, 서로 끌어당겨 붙게 됩니다. 그래서 우리가 먹는 소금이 됩니다. 이렇게 두 입자가 화학적으로 결합했을 때, 뒤의 입자의 이름에 '~화'라는 어미를 붙입니다. 그래서 NaCl은 '염화 나트륨'이라는 화학적 명칭을 갖게 되는 것이죠. 영어로 표기할 때에는 '~화'에 해당하는 '~ide'를 붙여 'sodium chloride'라고 표기합니다. 즉, 소금은 sodium chloride라는 화학적 명칭과 같습니다.

 

 

안정화 되는 두번째 방법인 '공유 결합'을 알아보겠습니다. 예를 들어, 염소 원자만 있는 상태라면 서로 전자를 빼앗길 생각이 전혀 없겠죠? 이런 경우, 두 원자가 전자를 하나씩 내어 놓고, 서로 공유하는 방법이 있습니다. 이렇게 되면, 위의 그림과 같이 두 염소 원자는 서로 묶여 하나의 입자처럼 움직이게 됩니다. 이렇게 전자를 공동 소유하는 과정을 '공유 결합'이라고 하며, 공유 결합으로 묶여진 새로운 입자를 '분자, molecule'이라고 합니다.

 

5. 원자량

① 원자당 평균 무게를 나타내며, 원자번호와 같지는 않습니다.

② 원자 질량 단위 (atomic mass unit, amu)

 i) 1amu = 12 C 질량의 1/12로 정의합니다.

 ii) 1amu는 대략 중성자 1개 또는 양성자 1개 질량과 비슷합니다.

→ 따라서, 원소의 원자량은 대략, 핵에 있는 양성자와 중성자의 총합과 같다고 생각하면 됩니다.

염소 원자의 경우는 원자량(atomic weight)이 35.45amu라고 합니다.

 

6. 동위원소

① 위의 설명드린 '주기율표'는 각각 성질이 다른 원소들에게 번호를 부여한 것입니다. 번호는 양성자의 갯수를 나타내며, 다른 번호는 다른 성질을 의미합니다. 하지만, 원자번호는 같지만, 서로 다른 성질을 가진 '동위원소(isotope)'라는 것이 존재합니다. (iso는 같은, tope는 위치를 말합니다)

② 원자는 '전자, 원자핵'으로 이루어져 있으며, 원자핵은 다시 '양성자, 중성자'로 나눌 수 있습니다. 동위원소는 양성자의 수는 같지만, 중성자의 수가 다른 경우를 말합니다.

③ 동위원소의 대표적인 예가 '수소'입니다. 아래는 수소의 동위원소입니다.

수소(경수소)는 암모니아 합성에 사용하며, 중수소와 삼중수소는 '핵융합'반응의 핵심 연료로 사용합니다. 자연계 99.985%가 경수소이며, 나머지 0.015%가 중수소입니다. 삼중수소는 인공적으로 합성합니다.

 

 

'삼중수소'는 방사성 붕괴를 하는 '방사성 동위원소'라고 합니다. 하지만, 수소 뿐 아니라, 모든 원소는 '방사성 동위원소'를 가지고 있습니다. 불안정한 상태인 '방사성 동위원소'는 안정된 상태로 바뀌면서 에너지 입자를 방출합니다. 이 에너지는 방사선을 품고 있어 생명체에 유해합니다.

④ 방사성 동위원소 활용의 예

(i) 방사성 동위원소의 반감기를 통해, 암석이나 오래된 유기물의 나이를 측정할 수 있습니다.

(ii) 스트론튬90, 요오드131, 이트륨90등의 의료용 동위원소를 이용해서, 항암치료에 사용할 수 있습니다.

(iii) 요오드131과 같은 방사성 요오드가 암세포에 베타선을 방출하면, 세포핵 속의 유전자가 손상되어 암세포가 파괴됩니다.

7. 라돈사태

 

라돈은 원소기호 86번이며, 무거운 '방사성 기체'입니다. 사실 우리 주변에 상당히 많은 라돈이 존재합니다. 화강암에 특별히 많이 존재하는 우라늄(92)과 토륨(90)의 붕괴 사슬 중에 있는 주요 원소이기 때문입니다. 건물의 지면에 스며들어 올라오거나, 지하에서 응축되는 라돈은 많은 사람들의 고민거리이지요.

 

 

얼마전, 우리나라에서 침대에 라돈이 발견되어 큰 이슈가 되었습니다. 뉴스에서도 아래와 같이, 라돈에 관하여 많은 설명을 하고 있습니다.

 

세계보건기구(WHO)와 미국 환경청(EPA)에서는 라돈을 '발암물질'로 분류하고, 실내 공기중의 라돈 농도를 관리하도록 권고하고 있습니다. 그렇다면, 이번 사태의 중심, 라돈 침대는 얼마나 방사선을 뿜어 낼까요?

 

 

 

'그린헬스2'라는 모델은 년간 9.35mSv의 양으로 피폭시킨다고 합니다. 연간 1mSv가 기준치이므로 9배정도 높은 양입니다. 하루 빨리, 모든 조치가 완료되었으면 좋겠습니다.

 

이전 중,고등학교 화학 시간에 배운 것들이 기억나면서, 라돈사태가 이해되시리라 믿습니다^^

사랑합니다. from Dr QL

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