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  • 과학 기타

    이온·공유결합

    이온결합은 정전기적 인력원자들의 결합에는 이온, 공유, 금속 등의 결합이 있으며, 이들을 구별하고 설명하기 위해서는 지난 시간에 언급한 금속 원소와 비금속 원소를 구별하는 것이 매우 중요하다. 금속 원소는 전자를 잃어버리는 성향인 금속성이 강하고, 주기율표의 왼쪽 영역에 위치한다. 일반적으로 전형 원소에서 수소를 제외한 1족, 2족과 13족까지를 금속 원소로 분류하고 있고, 나머지 족들은 비금속 원소로 분류한다.전자를 받아들이는 경향을 나타내는 비금속성이 큰 원소들을 비금속 원소라 하며, 주기율표의 오른쪽 영역에 위치한 14족부터 18쪽까지는 비금속이다.NaCl(염화나트륨)은 금속 원자(Na)가 전자를 잃으면 비금속 원자(Cl)가 전자를 받아 결합이 형성되는데 이처럼 금속 원자와 비금속 원자가 결합해 물질이 형성되는 결합을 이온 결합이라 한다. 이온 결합의 세기는 이온 사이의 거리에 반비례해 두 이온의 전하량 곱에 비례하는 쿨롱의 법칙을 따른다. 이온 결합 물질들은 녹는점, 끓는점이 높아 대부분 상온에서 고체로 존재하며 단단하지만 힘을 가하면 부서지는 성질들을 갖고 있다.금속 양이온들과 자유전자 사이의 정전기적 인력에 의해 금속 원자들도 결합을 형성하는데 이를 금속 결합이라 한다. 인류가 널리 사용하는 철(Fe), 구리(Cu) 등과 같은 물질은 금속결합에 의해 생성된다. 금속 결합에서 중요한 단어는 자유 전자다. 같은 주기인 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)에서 녹는점, 끓는점의 세기는 Al>Mg>Na의 순이다. 이는 자유전자의 수가 많을수록 금속 결합이 강해지기 때문이다.리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)은 같은 족이며 모두 같은 수의 자유 전자를 갖게 되지만 녹는

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    주기율표 (하)

    주기율표의 주기와 족 구분주기율표에서 가로 줄 위치에 있는 원소들을 ‘주기’하고 하며, ‘주기’는 전자껍질의 수를 나타낸다. 전자껍질의 수는 원자 반지름을 결정하는 중요한 요소이며, 전자껍질의 수가 많을수록 원자 반지름은 증가한다.가장 바깥쪽 전자껍질에 있는 전자는 전자를 잃거나 받으면서 화학결합에 참여하게 되는데 이를 ‘원자가 전자’라고 한다. 원자의 화학적 성질은 ‘원자가 전자’에 의해 결정된다. 18족에 속해 있는 원소들을 비활성기체라 한다. 이들은 가장 바깥쪽 전자껍질에 8개의 전자를 갖고 있으나, 전자를 잃지도 받지도 않기 때문에 최외각전자의 수는 0이다. 그러므로 18족을 제외한 나머지 전형원소들은 최외각 전자의 수와 원자가 전자의 수가 같다.비금속은 오른쪽에 위치주기율표에서 같은 세로 줄에 위치하면 같은 족이라 부른다. 같은 족은 화학적 성질을 결정하는 원자가 전자의 수가 같기 때문에 같은 족은 화학적 성질이 비슷하다. 즉 3주기 1족 원소인 나트륨(Na)은 전자껍질이 3개이고 원자가 전자 수가 1개이다. 리튬(Li)은 2주기 1족이며 전자껍질은 2개, 원자가 전자 1개를 갖고 있다. 그러므로 리튬(Li)과 나트륨(Na)을 같은 족이라 하며 이들의 화학적 성질은 비슷하다.전자를 잃는 성질을 금속성이라 하며, 금속성이 강할수록 원소들은 주기율표의 왼쪽(1~13족) 영역에 위치한다. 우리가 많이 들어본 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등이 금속 원소에 속한다. 1족인 알칼리 금속을 중심으로 금속 원소들의 성질을 배우게 된다.비금속 원소는 전자를 받아들이는 성질인 전자친화도가 큰 원소들이다. 전자를 잘 받아들이는 성질을 비금속성이라 하며, 수

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    주기율표

    통일된 기호가 필요하다매년 3월은 학교에서 새로운 만남과 친구들과의 소통이 시작되는 시기다. 지금은 학급당 인원 수가 많이 줄었지만 예전에는 60명 이상 학생이 한 학급에서 생활했다. 담임 선생님은 입학식이나 시업식이 끝나면 교실에서 60여 명의 학생을 어떤 해는 키 크기로 혹은 이름 순서로 정렬해 학생들에게 번호를 부여하던 기억이 난다. 사람들은 무엇이든 개수가 많아지면 고유번호를 부여하는 과정에서 체계적인 관리 및 규칙성을 찾고자 하는 습성이 있는 것 같다.시간이 지남에 따라 발견되는 원소 수가 많아지면서 과학자들은 이들의 체계적인 관리 및 표현 방법이 필요했을 것으로 생각된다. 1860년대 초반 돌턴의 원자설에서 원자량 개념을 제시한 뒤 원자량을 중심으로 규칙적인 성질을 발견하려는 과학자들의 노력이 있었다. 원자량은 ‘탄소원자를 12.00으로 정하고 상대적으로 비교한 값’이다. 원자량 개념의 도입은 눈에 보이지 않는 작은 입자들에게 질량을 부여하는 의미있는 과정이었던 것이다.같은 족이며 연속되는 원소들 사이에 있는 “두 번째 원소의 물리량은 첫 번째와 세 번째 원소들의 평균값과 같다”는 독일의 과학자 되베라이너의 ‘세 쌍 원소설’, “원자량이 증가하는 순서로 배열하면 8번째마다 규칙적인 성질이 나타난다”는 뉼렌즈의 ‘옥타브설’ 등 여러 가설이 있었으나 현재는 여러 가지 이유로 인정하지 않는다. 또한 독일의 과학자 마이어는 개별적으로 주기율표를 완성하기도 했으나 이를 출판하지 못했다.멘델레예프는 원자량, 모즐리는 양성자의 수1869년 멘델레예프는 63개의 원소의 원자량을 기반으로 한 주기율표를

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    별의 진화(하)

    원시별 탄생은 성간물질로 시작되며, 별의 죽음으로 다시 성간물질로 되돌아간다. 성간물질들이 구름처럼 모여 있는 곳을 성운이라 한다. 성운들 중에서 온도가 낮고 밀도가 높은 ‘암흑성운’은 원시별이 태어나기 위한 최적의 조건을 갖추고 있다큰 별은 핵융합으로 에너지 얻어“아시아코끼리는 하루에 약 102㎏을 먹어 치운다.” 일반적으로 덩치가 큰 동물들이 체중 유지를 위해 영양분을 계속 섭취해야 하듯이, 질량이 큰 별들은 핵융합이라는 방식으로 계속 영양분을 섭취하고 섭취한 만큼의 에너지를 방출하게 되면서 수명이 짧아지게 된다. 그러므로 별의 수명은 질량과 밀접하게 연관돼 있다. 현재의 태양은 주계열성으로 앞으로 먼 미래까지 핵융합 반응으로 빛과 열에너지를 우리에게 계속 제공해 줄 것이라는 것을 지난 시간에 강조했다.이번 시간에는 별의 진화와 관련된 에너지의 발생이 원소의 생성에 크게 기여했으며, 이를 통해 지구와 생명의 역사가 우주의 일부분이며 서로 밀접하게 연결돼 있다는 점을 강조할 것이다.별들은 질량에 따라 최후 달라주계열성은 오랜 기간 동안 별 중심에서 계속되는 핵융합에 의해 헬륨(He)의 핵은 점점 늘어가고, 연료인 수소(H) 핵은 감소되면서 점점 핵융합은 일어나기 어렵게 된다. 핵융합 반응이 감소되면 중심부의 압력이 감소하게 되어 빈 페트병(PETE)을 세게 누르면 찌그러지듯이 별의 중심부는 급격히 함몰된다. 반면에 별의 광구(표면) 부분은 팽창하게 되며 별의 반지름은 급격히 증가하게 된다. 이 과정에 있는 별을 적색거성이라고 한다.약 50억 년 전에 태어났지만 현재의 태양은 밝기가 거의 변하지 않는 안정한 주계열성이다. 하

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    별의 진화(상)

    지난 시간에 빅뱅(big bang)에 의해 수소와 헬륨 원자핵이 생성된 것을 배웠다. 이후 시간이 한참 지나서 중성인 원자들이 만들어졌고, 별의 진화 과정에서 별 내부에서 핵융합을 통해 가벼운 원소들이 생성됐다는 점도 배웠다. 초신성의 결과물로 철(Fe)보다 무거운 원소가 만들어지는 원소의 진화 과정도 설명했다. 이번 시간에는 별의 진화 과정과 연결해 원소들의 생성 과정을 알아보려 한다.항성·행성·위성의 차이태양(sun)처럼 스스로 빛을 내는 천체를 항성이라 한다. 스스로 빛을 내진 못하지만 항성의 주위를 도는 지구(earth)를 행성(planet), 행성의 인력에 끌려 주위를 도는 달(moon)을 위성(satellite)이라고 부른다. 따라서 우리가 말하는 별(star)은 항성을 일컫는다. 몇 가지 용어를 더 알아보자.성(星)은 별, 간(間)은 사이를 뜻하는 한자다. 별과 별 사이의 공간에 존재하는 기체와 티끌 같은 것을 모두 성간물질이라고 한다. 성간물질은 기체 99%와 내화성 규산염이나 흑연 같은 것이 얼음에 덮여 있는 미세한 고체 입자인 티끌 1%로 구성돼 있다.성간물질은 원시별 탄생의 출발점이며, 별이 탄생될 수 있는 재료가 된다. 또한 수명이 끝난 별은 성간물질로 다시 돌아간다. 성운에서 운(雲)은 ‘구름’의 뜻을 갖는 한자다. 따라서 성운(星雲)은 성간물질이 많이 모여서 구름처럼 보이는 것을 말한다.별은 은하에서 계속 태어나산란(scattering)도 알아둬야 한다. 산란은 ‘한쪽 방향으로 진행되는 파가 물체에 부딪쳐 운동 방향을 바꾸고 흩어지는 것’을 말한다. 어떤 성운은 별에서 나온 빛 중에서 가시광선을 산란시킨다. 이렇게 별빛이 산란돼 파란색으로 밝게 보이면 ‘반사 성운’이

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    빅뱅의 증거

    1948년 가모프와 랄프가 발표한 논문 ‘화학 원소의 기원’은 빅뱅 이론의 역사에서 매우 중요한 문헌이 됐 다. 두 학자는 빅뱅의 첫 번째 증거로 이렇게 말했다. “빅뱅 후 1초 정도 시간이 흐르면 우주의 온도가 100 억 도 정도로 낮아지면서 수소가 헬륨으로 융합을 시작한다. 그러나 빅뱅 후 3분 정도 시간이 지나면서 온도가 더 낮아져 더 이상 수소가 헬륨으로 융합을 할 수 없게 되며, 이때 수소와 헬륨의 질량비는 3 대 1 이다.” 현재 우주에서 측정한 수소와 헬륨의 질량비도 이와 같다.우주 온도에 따라 원소 융합 나타나태양처럼 빛을 내는 물체는 사람의 지문처럼 특유의 선 스펙트럼을 나타내며, 이를 분석하면 구성 원소를 알 수 있다. 이런 방법으로 별 빛의 선 스펙트럼을 분석하면 대부분이 수소와 헬륨임을 알 수 있다.1929년 미국의 천문학자인 허블은 “팽창하고 있는 우주에서 점점 멀어지고 있는 은하의 후퇴 속도는 허블상수와 은하 사이의 거리를 곱하면 구할 수 있다”는 허블의 법칙을 발견하고 우주가 팽창한다는 이론을 내놓았다. 이것은 빅뱅 이론의 두 번째 증거가 됐다. 은하의 후퇴 속도는 적색편이로 구할 수 있다. 적색편이는 ‘빛의 도플러 효과’ 때문에 생긴다. 도플러 효과는 광원이 멀어지면 관찰되는 빛의 진동수가 작아진다는 것이다. 진동수가 작아지면 파장은 길어진다. 파장이 길어지면 빨간색 영역의 빛을 방출하게 되며 이를 적색편이라 한다.빅뱅 후 남은 복사를 측정러시아의 가모프는 우주 초기에 온도가 매우 높았다면 대폭발로부터 광자의 형태로 방출된 복사의 일부가 남았을 것이라고 우주배경복사의 존재를 예언했다. 1964년 벨 연구소의

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    빛의 굴절과 파장

    “소나기 한줄기 지나가더니 / 먼 하늘에 무지개가 떴네. / 초등학교 때 열심히 외었던 / 빨 주 노 초 파 남 보… / 색동옷 꼬까옷만큼이나 고운 / 유년의 꿈 보여 주려고 / 서쪽 하늘에서 비춰 주네./ 세월이 훌쩍 흘러간 지금도 / 이상과 현실이 굴절되어 / 선명하게 활을 그리며 다가오네.” (‘문인회 작품집’ 김길순)프리즘은 빛을 굴절시킨다1447년 5월에 간행된 ‘용비어천가’를 비롯해 시와 노래에 자주 등장하는 일곱 빛깔의 무지개는 태양의 반대쪽에 비가 내리면 나타난다. 비가 내린 뒤 햇빛이 공기 속에 떠다니는 수많은 물방울들을 통과하면서 빛이 굴절되어 만들어지는 것이다.불꽃 반응 실험에서 노란색이 방출되면 이것은 나트륨(Na) 원소 때문이다. 비슷한 종류의 노란색 계열 불꽃색이 섞여 있어도 그 속에 어떤 원소가 들어 있는지를 ‘선 스펙트럼’ 분석을 통해 정확하게 구분할 수 있다. 각각의 원소들은 서로 다른 특유의 선 스펙트럼을 갖는다. 사람과 비유하면 선 스펙트럼은 손바닥 지문과 같은 역할을 한다. 그래서 우주와 물질을 구성하는 원소들을 명확하게 구별하기 위해서는 스펙트럼의 이해가 중요하다. 빅뱅이론을 이해할 때도 스펙트럼 분석이 중요하다.프리즘은 빛을 굴절시킨다. 굴절된 빛이 파장에 의해 배열된 것을 스펙트럼이라고 한다. 프리즘은 원인이고 스펙트럼은 결과라고 말할 수 있다. 스펙트럼을 올바로 분석하고 이해하기 위해서는 프리즘을 알아야 한다. 일반적으로 프리즘은 유리로 만든다. 모양은 삼각기둥 형태다. 빛이 프리즘을 통과하면 프리즘으로 들어갈 때와 프리즘에서 나올 때 두 번 굴절하게 된다. 프리즘을 통과한 후 빛은

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    인간에 '속살' 보여준 목성 "지구만한 초대형 폭풍 관찰"

    태양계 다섯 번째 행성인 목성은 고대 로마의 신 ‘주피터’로 불린다. 태양계에서 가장 크고 오래된 이 행성은 그동안 베일에 가려져 왔다. 질량이 지구의 318배지만, 부피는 1400배 이상으로 밀도가 지구의 4분의 1에 불과하다는 정도만 알려졌을 뿐이다. 지난해 7월 미국 항공우주국(NASA)의 우주탐사선 ‘주노’가 목성에 도착한 뒤 상황이 바뀌었다. 주피터 아내 이름을 딴 주노는 2011년 발사돼 5년 만에 28억㎞를 날아 목성에 도착했다. 1년8개월간 목성 주위를 37바퀴 돌면서 목성 형성 과정을 밝히는 임무를 수행했다. NASA는 주노가 목성에 도착한 이후 새롭게 밝혀진 사실들을 국제학술지 사이언스 26일자에 소개했다.목성의 대기는 거대한 가스 구름으로 덮여 있다. 목성의 적도에 해당하는 지역에서는 지구보다 큰 소용돌이 폭풍이 일고 있다. 주노는 목성의 남극과 북극 지방에서도 반경 600~1000㎞인 폭풍이 무리를 지어 발생하는 사실을 알아냈다. 질서가 전혀 없는 카오스 상태에 가깝다. 가장 규모가 큰 폭풍은 반지름이 1400㎞인 경우도 있었다. 지구에서 발생한 가장 큰 폭풍보다 10배 이상 큰 규모다.목성의 적도 부근에선 암모니아 가스가 용솟음치는 현상도 일어난다. 이 암모니아 가스는 최대 360㎞까지 치솟는다. 지구 적도 부근에서 가열된 대기가 상승했다가 대류 활동으로 중위도 지역에서 하강하는 ‘해들리 순환’과 매우 유사하다.목성 가스 구름에선 강력한 자기장이 뿜어져 나온다. 주노에 실린 마이크로파 측정 장비로 목성의 자기장을 측정한 결과 일부 지역에선 지구보다 10배나 센 자기장이 생기는 것으로 확인됐다. 지구에서 자기장은 외핵의 액체가 회전하면서 생겨난