지난번 첫 번째 질문을 통해 전자의 크기와 힘에 대해 대략적으로 알아봤습니다. 이번 두 번째 질문을 하기 전에 입자와 결합에 대해서 다시 한번 봅시다.
소금은 나트륨원자와 염소원자로 이루어져 있고 물은 수소와 산소원자로 이루어져 있습니다. 즉 소금이 뭉쳐있는 것은 분자 간의 결합입니다. 손으로 부수러트릴수 있죠. 한편 분자 한 개를 보면 나트륨과 염소가 만나 소금이 되는 원자 간의 결합입니다. 짐작할 수 있듯이 소금은 분자보다 원자 간의 결합이 더 작은 입자 간의 결합이지만 더 튼튼합니다. 이 전자기력은 무척 강력해 손으로 때내기란 불가능해 보입니다
자 이제 질문 들어갑니다
2. 어떤 원자들은 결합하고 어떤 원자들은 왜 결합하지 않을까?
짧게 대답하자만 전자구름 때문입니다. 원자들이 결합할지, 혹은 서로 떨어져 있을지를 결정짓는 건 바로 전자기력과 전자 배치입니다. 원자들은 전자를 통해 다른 원자들과 상호작용합니다. 전자가 특정한 궤도(전자구름의 층계)를 채울 때, 혹은 다른 원자와 전자를 공유하거나 교환할 때 결합이 형성됩니다.
조금 어려울 수 있으니 다시 쉽게 봅시다. 전자는 매우 빠르게 원자핵 주위를 돌고 있습니다 그래사 마치 구름이나 안개 같습니다. 그리고 이 전자구름은 여러 층이 있습니다. 1층과 2층과 3층 등 각층에 들어갈 수 있는 전자의 최대수가 딱 정해져 있고 1층부터 채워야 합니다. 1층 2개, 2층 8개 3층 18개 등등
우리 우주는 이 개수를 꼭 맞추는 것만 좋아합니다.(어려운 버전이 궁금하다면 쉬뢰딩거의 파동 방정식 참조)
예를 들어
헬륨(He) -> 양성자 +2개와 전자-2개 -> 전기적으로 균형을 이루고 전자 층계의 정족수도 1층의 2개를 만족
네온(Ne) -> 양성자+10개와 전자-10개 -> 전기적으로 균형을 이루고 전자 층계의 정족수도 1층의 2개와 2층 8개를 만족
산소(O) -> 양성자+8개와 전자-8개 -> 전기적으로 균형을 이루지만 전자 층계의 정족수에서 2층의 2개가 부족함
그래서 산소원자는 다른 산소나 다른 원자와 항상 붙은 상태로 존재합니다. 전자의 정족수를 꼭 채워야 하기 때문입니다. 다른 원자와 전자를 공유하거나 교환할 때 정족수를 만족시킬 수 있고 결합이 형성됩니다. 우리는 이것을 통틀어 화학작용이라고 부릅니다.
소금(염화나트륨)을 구성하는 나트륨(Na)은 전자를 하나 잃고 싶어 하고, 염소(Cl)는 전자를 하나 얻고 싶어 합니다. 이 둘은 서로 전자를 주고받으며 강한 이온 결합을 형성합니다.
반면, 산소(O₂) 같은 경우는 두 원자가 전자를 공유하여 공유 결합을 만듭니다. 결합하지 않는 경우는 전자구름이 서로 너무 강하게 밀어내거나, 에너지가 결합을 유지하기에 충분하지 않을 때 발생합니다.
조금 어렵기도 하고 전부 다 공부하긴 어려우니 핵심 내용만 다시 한번 보고 넘어가겠습니다.
분자를 만드는 원자 간의 결합은 화학작용이라 부른다. 이 결합이 가능한 이유는 우리 우주가 전자구름의 층계를 나누어 놓고 그 정족수를 무조건 맞추려 해서이다.
