자연현상이란 원자와 분자들의 배열이 변환되는 과정이다

원자들은 서로 결합합니다. 원자들이 결합하려면 서로 당기는 힘이 있어야 하는데, 이 힘에는 우주의 네 가지 힘인 중력, 전자기력, 강력, 약력이 모두 관여합니다. 그중 물질 구성에서 가장 중요한 힘은 전자기력입니다. 그래서 원자들의 결합은 전자기력을 생각할 수 있습니다. 원자들이 결합하는 방식에는 세 가지가 있는데 첫째, 금속결합, 둘째, 이온결합, 셋째, 공유결합이 있습니다. 원자들이 이 세 가지 결합은 주기율표 118가지 원소가 금속과 비금속으로 구분됨을 기억하면 쉽게 알 수 있습니다. 금속결합은 금속 원소끼리의 결합이고, 이온결합은 금속과 비금속의 결합이며, 공유결합은 비금속끼리의 결합입니다.

 

금속결합

금속결합(금속 양이온+자유전자)은 금속 원자들이 자유전자를 방출하면서 생성됩니다. 금속을 구성하는 수많은 금속 원자들에서 각각 1개씩 자유전자가 방출되고, 이 자유전자 분포가 형성하는 전하 구름과 금속 원자들이 상호작용하여 금속이라는 결정 상태의 물질이 만들어지는 것입니다. 자유전자는 원자핵의 양전하에 구속되지 않고 자유롭게 움직이는 전자를 말합니다. 예를 들어 구리인 경우 29개의 전자 중에서 1개가 자유전자가 되어 +전하를 갖는 구리 양이온과 상호작용하여 금속 구리를 만듭니다. 또한 금속의 자유전자는 전기와 열을 전달합니다. (양이온은 전자가 양성자보다 1개 적은 이온임)

 

이온결합

이온결합(금속 양이온 + 비금속 음이온)은 금속과 비금속의 결합입니다. 금속은 주로 양이온이 되고 비금속은 음이온이 되어 서로 반대 전하의 인력으로 이온결합이 이루어집니다. 광물을 구성하는 결합은 대부분 이온 결합입니다. 소금 결정도 광물이며 금속 양이온인 나트륨 양이온(Na + )과 비금속 음이온인 염소이온((Cl- ) 이 전기인력으로 결합하여 소금 결정이 됩니다.

주기율표의 118가지 원소에는 금속 원소가 가장 많습니다. 금속에는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속이 있으며 비금속의 주요 원소에는 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 황(S), 인(P)이 있습니다. 알칼리 토금속은 대부분 흙에서 발견되었습니다. 생명현상의 6개 핵심 원소는 수소(H), 질소(N), 산소(O), 황(S), 인(P)입니다. 이 원소들이 서로 공유결합한 상태를 분자라 합니다. 분자는 다양한 생화학작용을 합니다. 수소와 헬륨 원자핵인 양성자와 알파입자는 빅뱅 후 즉시 만들어졌고, 나머지 원소들은 전부 별 속의 핵융합 과정을 통해 만들어졌습니다. 지구에서 발견되는 약 4500가지 광물 대부분은 이온결합으로 생성된 것입니다. 금속결합과 이온결합은 대부분 고체 상태의 딱딱한 결정을 만듭니다.

 

공유결합

공유결합은 비금속 원자끼리의 결합으로 분자를 만듭니다. 세포 속 분자들의 작용이 생명현상입니다. 산소 분자와 질소 분자가 지구 대기의 대부분을 구성하지만, 인간의 세포 속에는 약 10만 종류가 넘는 단백질 분자들이 존재합니다. 세포 속 분자들은 극성 물 분자의 작용을 통해 대부분 전하를 갖는 이온 형태입니다. 예를 들어 물 분자는 산소 원자가 수소보다 전자를 당기는 힘이 더 강해 산소 원자 쪽에 전자가 더 많아지게 됩니다. 전하 분포가 시간에 따라 변화하여 순간적으로 전하를 갖게 되는데 이를 극성 분자라 합니다. 공유결합은 두 원자가 원자의 외각 전자를 공유해 생성된 결합입니다.

이처럼 원자들이 서로 결합함으로써 별,지구,생명이 되고, 거시적인 물리 세계가 출현하게 된 겁니다. 원자가 결합하여 3차원 구조인 분자들을 만듭니다. 즉 우주와 자연현상이란 원자와 분자들의 배열이며 이들이 서로 변환되는 과정입니다.

다음 포스팅에서는 분자에 대해서 알아보는 시간을 갖겠습니다.