분자의 개념과 분자 물질 그리고 연구

분자

물질을 쪼갤 때, 물질의 화학적 성질을 ㅈ 가장 작은 입자를 말합니다. 물질을 이루는 기본단위 가운데 하나이며, 분자를 더 작게 쪼개면 원자가 됩니다. 예를 들면, 한 개의 물방울은 수많은 물 분자로 이루어져 있는데, 물방울을 잘게 쪼개 한 개의 물 분자를 얻어도 그 물방울은 물의 모든 화학적 성질을 가집니다. 그러나 물 분자를 더 쪼개면, 수소 원자와 산소 원자만 남습니다. 분자는 특정한 구조를 이루고 있는 원자의 모임입니다. 모든 원자는 (+) 전하를 띤 원자핵과 그 주위를 둘러싼 (-) 전하를 띤 전자로 이루어집니다. 따라서 분자에는 (+) 전하와 (-) 전하가 같은 수만큼 들어 있습니다. 화학식을 보면 분자의 조성을 알 수 있습니다. 예를 들면, 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 이루어지며, 화학식은 H₂O입니다. 분자의 크기는 구성 원자의 크기와 수로 결정됩니다. 산화질소(NO)와 같이 두 개의 원자만으로 이루어진 분자를 2 원자 분자로, 물 분자와 같이 세 개의 원자로 이루어진 분자를 3 원자 분자라고 합니다. 거의 모든 기체, 액체, 고체는 분자가 모여서 이루어집니다. 그러나 일부 물질은 전하를 띤 입자인 이온으로 되어 있는데, 이를 이온물질이라 합니다. 염은 대표적인 이온물질입니다. 예를 들어 염화나트륨은 양이온인 나트륨 이온과 음이온인 염화이온으로 이루어져 있습니다. 이 이온 사이에는 정전기적인 힘이 작용해서 염화나트륨 결정을 만들어 규칙적인 구조를 갖게 합니다. 또한, 금속도 분자로 이루어진 물질이라고 할 수 없는데, 금속은 (+) 전하를 띤 이온과 금속 안을 자유롭게 움직이는 많은 자유전자로 이루어져 있습니다.

 

 

분자와 물질

분자와 분자는 판데르발스힘으로 결합되어 있는데, 보통 이 힘은 분자 자체의 결합력보다는 약합니다. 판데르발스힘은 분자 사이에서 작용하는 힘이므로 분자 사이의 거리에 영향을 받습니다. 두 분자가 서로 멀리 떨어져 있을 때 분자 사이에는 인력이 작용하지만, 두 분자가 아주 가까워지면 오히려 척력이 작용합니다. 고체 속에서 분자는 서로 밀고 당기는 힘이 균형을 이루도록 놓여 있습니다. 분자는 이렇게 균형을 이루는 위치에서 진동 하지만, 고체 속의 다른 곳으로 움직이지는 않습니다. 그러나 고체의 온도가 올라갈수록 분자는 더 심하게 진동하며, 판데르발스힘이 더 이상 분자들을 일정한 자리에 붙들어 놓지 못하게 되면 고체는 녹아서 액체가 됩니다. 액체 속에서 분자는 고체 속보다 더 쉽게 움직일 수는 있지만, 분자 사이에는 여전히 힘이 작용합니다. 이 힘은 액체에 얇은 막과 같은 표면을 만들어 분자의 증발을 막을 수 있을 정도로 충분히 강합니다. '액정'이라고 하는 유기화합물은 액체와 고체의 성질을 모두 가집니다. 액정은 액체와 같이 유동성이 있지만, 특정한 온도 범위 안에서는 다른 액체보다 분자 배열이 더 규칙적입니다. 액정의 분자는 줄을 지어 작은 모임을 이루는데, 이들은 특정 방향으로 서로 잘 미끄러집니다. 기체 속에서 분자는 매우 빨리 움직이므로, 분자 사이의 인력이 영행을 미치지 못합니다. 기체 속에서 두 분자가 서로 충돌하면, 분자 사이에 척력이 작용해 분자 사이의 거리가 다시 멀어집니다. 기체 분자는 이와 같이 움직일 수 있는 모든 공간 안에서 자유롭게 움직이기 때문에, 기체가 담긴 그릇을 완전히 채웁니다. 물질은 대부분 가열하거나 냉각하여 고체, 액체, 기체로 변화시킬 수 있습니다. 그러나 어떤 물질은 매우 높은 온도로 가열해도 고체인 채로 있습니다. 이와 반대로 매우 낮은 온도가 아니면 항상 기체인 물질도 있습니다. 물질이나 물질의 특성에 변화가 생기는 온도는 구성 분자의 크기, 형태, 질량뿐만 아니라 분자 사이에 작용하는 판데르발스힘의 크기에 따라 다릅니다.

 

개개의 분자

분자 안에 있는 원자 사이에는 강한 인력이 작용해 원자끼리 결합을 합니다. 분자 안에서 작용하는 이러한 힘이 분자의 형태를 결정하는데, 분자에서는 원자끼리 매우 강하게 결합되어 있어 원자 사이의 변형이 잘 일어나지 않습니다. 예를 들면, 암모니아 분자는 질소 원자 한 개에 붙어 있는 수소 원자 세 개가 삼각뿔 모양을 이룹니다. 노말 뷰테인 분자는 지그재그 사슬처럼 연결된 탄소 원자 네 개에 수소 원자 10개가 붙어 있는 형태입니다. 벤젠 분자는 고리를 이루고 있는 탄소 원자 6개에 수소 원자 6개가 붙어 있습니다. 많은 단백질 분자는 긴 사슬로 된 나선형 구조를 이룹니다. 분자의 질량은 분자량으로 나타냅니다. 분자량은 분자를 구성하는 모든 원자의 원자량을 합한 값입니다. 이산화탄소의 분자량은 원자량이 12인 탄소 원자 한 개와 원자량이 약 16인 산소 원자 두 개의 질량을 합한 값으로 약 44입니다. 이러한 분자의 질량은 질량분석계로 측정합니다. 분자에서 (+) 전하와 (-) 전하는 서로 균형을 이루지만, 극성 분자에서 이들 전하의 분포는 고르지 않습니다. 극성 분자에서는 분자의 한쪽 끝에 상대적으로 많은 (+) 전하가, 다른 쪽에는 상대적으로 많은 (-) 전하가 모여 있습니다. 두 종류의 분자를 서로 충분히 가까이 놓으면 반응하여 한 개 이상의 새로운 분자를 만듭니다. 또한, 같은 종류의 분자가 결합해 하나의 더 큰 분자를 만들기도 합니다. 이와 같이 많은 수의 작은 분자가 화학적으로 결합해 더 큰 분자를 만드는 과정을 중합이라고 합니다.

 

분자에 대한 연구

어떤 분자는 전자현미경으로 직접 관찰할 수 있습니다. 이 방법으로 분자의 사진을 얻을 수는 있지만, 사진이 매우 흐릿하기 때문에 분자를 자세하게 관찰할 수는 없습니다. 분자를 연구하는 데에는 여러 가지 간접적인 방법도 쓰입니다. 예를 들어 엑스선 회절은 고체 연구에 쓰이는데, 고체에 엑스선을 비추면 고체의 구조에 따라 다르게 회절 하므로 분자의 크기, 형태, 배열 등을 알 수 있습니다. 또 고체에 중성자빔이나 전자빔을 통과시켜, 각각의 빔이 회절 되는 모양을 보고 고체의 구조를 알 수 있습니다. 분자가 빛을 받아들이거나 내보내는 방법을 관찰하면 분자에 대해 알 수 있습니다. 각각의 분자는 빛을 받아들이거나 내보낼 때 공한 스펙트럼을 나타냅니다. 그러므로 물질의 스펙트럼을 연구하면 분자에 대해 많은 것을 알 수 있습니다. 예를 들면, 분자의 크기와 모양, 분자를 이루는 원자들을 결합시키는 힘의 세기, 분자 안에서 주위를 도는 전자의 움직임 등입니다.