안정한 물질의 특성

옥텟규칙을 맞추려 화학반응이 일어난다.

물질의 특성을 연구하는 화학

화학(化學)은 물질의 정체와 변환을 연구하는 자연과학의 핵심 분야이다. 화학은 물질의 정체와 성질을 원자와 분자의 수준에서 설명하고, 새로운 화합물을 합성하는 화학 반응의 특성을 연구한다.
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화학은 아주아주 작은 원자 세계, 분자 세계를 탐험하며 물질의 특성을 알아냅니다. 따라서 화학자들은 물질이 어떤 특성을 갖는지 너무나 잘 알고 있습니다. 이런 화학자들이 매우 안전하다고 생각하는 물질이 있습니다. 바로 비활성 기체입니다.

여기서 잠깐 백린의 위험성을 알기 전에 먼저 비활성 기체에 대해 알아보려 합니다. 비활성 기체가 왜 안전한지 안다면, 백린이 위험한 이유를 알 수 있기 때문입니다.

안전한 물질들의 공통점

비활성 기체

비활성 기체에는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)이 있습니다. 각각 다른 물질이지만, 화학반응을 하지 않아 독성이 없습니다. 왜 화학반응을 하지 않을까요? 그건 원자의 세계로 가보면 알 수 있습니다.

원자의 세계로 와보니, 전자가 원자핵 주변 궤도에서 돌고 있는 것이 보입니다. 가장 바깥쪽 궤도에 있는 전자들이 바로 최외각 전자 입니다. 네온과 아르곤의 최외각 전자 수는 8개라는 공통점이 있습니다. 이러한 규칙을 옥텟규칙 이라고 부릅니다. 화학자들이 옥텟규칙을 어떻게 생각하는지 볼까요?

옥텟규칙과 안전성

옥텟 규칙은 분자를 이루는 각각의 원자는 최외각 껍질에 8개가 들어갔을 때 가장 안정된 상태라고 하는 화학 이론이다.
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물론 헬륨은 최외각 전자기 2개라 옥텟규칙에 맞지 않지만, 비활성기체입니다. 그러니 헬륨만 예외로 두기로 하죠.

원자들은 가장 안정적인 상태가 되기위해 움직입니다.   그런데 비활성 기체들은 이미 옥텟규칙을 맞춰 가장 안정적인 상태가 되었습니다. 따라서 비활성 기체들은 더 이상 화학반응을 하지 않아 매우 안전합니다.

옥텟규칙에 따라 가장 안정적인 상태가 되려면 최외각 전자가 8개 필요합니다. 그렇다면 최외각 전자가 8개가 아닌 원소들은 어떻게 할까요? 이 경우 원자들은 전자를 공유해 문제를 해결하려고 합니다.

공유결합

원자들은 최외각 전자가 부족할 경우 공유결합을 합니다. 공유결합이란 전자를 공유하면서 강력하게 붙어있는 것을 말합니다.

산소 원자는 최외각 전자가 6개 입니다. 옥텟규칙을 만족하려면 전자기 2개 부족하죠. 불안정한 상태를 참을 수 없는 산소원자는 옆에 있는 다른 산소원자와 전자를 공유하는 선택을 합니다. 각각 2개씩 공유하고, 다른 원자가 준 전자로 최외각 전자가 8개가 되었다고 여기는 것이죠. 이 경우, 전자를 공유한 산소 원자들은 강력하게 붙게되어, 쉽게 떨어지지 않습니다.

매번 원자모형을 그릴 순 없기에 화학자들은 공유결합을 쉽게 표현할 방법을 찾아냅니다.

루이스 전자점식

화학자들은 루이스 전자점식으로 공유결합을 이해합니다. 미국의 물리화학자 루이스는 새로운 표기방법을 만듭니다. 전자를 점으로 표현하는 방식이었죠. 간단한 화학식과 점을 통해 공유결합을 표현하자, 그동안 알고 있던 화학반응식도 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다.

산소원자(O)가 서로 붙어 산소분자(O2)를 만드는 화학반응도 사실 서로 공유결합으로 옥텟규칙을 달성하게 위해서 일어났던 반응인 겁니다.

전자에 초점을 맞추자 화학반응에 대해 좀 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 그런데 사실 원자들은 마구잡이로 전자를 공유하지는 않습니다. (-)극 전자들끼리 서로 밀기 때문입니다.

화학자들은 전자들끼리 밀어내는 상황을 고려하여 전자쌍 반발이론을 만들었습니다. 그리고 전자쌍 반발이론을 통해 더 복잡한 물질들의 안정성을 알아내기 시작했죠. 그럼 좀 더 복잡한 물질들의 안정성을 알아볼까요?