-
과학 기타규산염 광물과 탄소화합물
지난 시간에는 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 1줄로 길게 이어진 단일사슬 구조, 2줄로 이어진 2중 사슬 구조, 평면으로 넓게 이어진 판상구조 등 네 가지 구조에 대해 언급했다. 지구상의 생명체는 모두 탄소 화합물을 갖고 있기에 우주에서 탄소 화합물의 흔적 발견은 생명체의 존재 확 률이 높다는 의미로 해석할 수 있다. 재미있는 사실은 식물은 광합성 작용으로 물(H2O)과 이산화 탄소(CO2)를 사용하여 포도당(C6H12O6)과 같은 탄소 화합물을 스스로 만들어 낼 수 있다.음식으로 섭취하는 탄소화합물반면에 사람은 탄소 화합물을 스스로 생성하지 못하고 음식 등을 통해 섭취해야 한다. 그럼에도 탄소 화합물은 인체를 구성하는 물질들 중 중요한 한 가지다.탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진 화합물이고, 여기에 다른 원소를 포함하고 있다면 탄소 화합물이라 한다. 탄소 화합물들도 규산염 광물과 같이 일정한 규칙에 의해 결합한다.최외각 전자를 원소 기호 주위에 점으로 찍은 것을 루이스 전자점식이라 한다. 전자점식에서 비공유 전자쌍을 뺀 나머지를 사람의 팔로 생각하면 탄소원소(C)는 14족이라 4개의 팔을 갖고 있다. 비금속 원소와 비금속 원소 사이의 결합을 공유 결합이며, 공유결합은 사람과 사람이 악수하는 모습과 비슷한 결합이다.탄소 원자(C) 1개가 수소 원자(H)와 결합해 안전한 물질이 되기 위해서는 탄소 원자 1개가 4개의 수소 원자와 각각 악수하는 모양을 갖추어야 한다. 이런 모양을 정사면체(결합각 109.5도)라고 부른다. 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 하듯이 탄소화합물은 C-H 사면체를 기본으로 한다.단일결합·이중결합·삼중결합탄소 원자의 수에 따른
-
과학 기타지각의 90% 이상이 규산염 광물이죠
거대한 성운으로부터 지구가 만들어지고, 지구를 구성하는 지각 대기 해수 등은 현재까지 끊임없이 변화 해 왔다. 안드리자 모호로비치치(1857~1936)는 서울에서 약 8648㎞ 떨어진 크로아티아의 수도 자그레브 (Zagreb) 관측소에서 근무하면서 쿨파 계곡에서 발생한 지진을 기록 장치로 기록하였고, 측정된 자료를 비교해 일부 지진파는 다른 지진파에 비해 빨리 도달한다는 사실을 발견했다. 빠르게 도착한 일부 지진파 는 지구 내부 층을 통과할 때 속도가 빨라진다고 추론했다.지각의 존재를 알다상당한 시간이 지난 후 더 정밀한 기구에 의한 관측으로 불연속면이 확인됐고, 이를 지각과 맨틀 사이의 경계면으로 ‘모호로비치치의 불연속면(모호면)’이라 부른다. 이렇게 발견된 모호로비치치의 불연속면부터 지표면까지의 고체를 우리는 지각(earth crust)이라고 부른다. 피자(pizza)의 한 종류인 ‘치즈 크러스트’와 지각의 크러스트가 비슷한 의미를 갖고 있다. 크러스트(crust)는 ‘지각, 표면, 껍질, 딱딱한 표면’ 등의 뜻을 갖고 있는 단어다.지각은 토양과 암석으로 돼 있으며, 암석은 ‘한 가지 이상의 광물로 구성된 집합체’이다. 지각을 구성하는 암석에는 장석, 석영, 휘석, 각섬석, 흑운모, 감람석 등이 있다. 지각을 구성하는 8대 원소는 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg) 등이 있다. 규소(Si)와 산소(O) 그리고 약간의 금속 원소로 이뤄진 규산염 광물은 지각의 대부분을 차지하고 있다.광물은 2500여 종에 달해약 2500종이 존재하는 광물은 여러 가지 원소가 모여서 만들어졌으며, 암석을 이루는 기본 단위다. 지각의 90% 이상을 차지하고 있
-
과학 기타미세먼지·초미세먼지
목련꽃 그늘 아래서 / 베르테르의 편질 읽노라 / 구름꽃 피는 언덕에서 / 피리를 부노라/ 아 멀리 떠나와 / 이름 없는 항구에서 배를 타노라 / 돌아온 4월은 생명의 등불을 밝혀 든다 / 빛나는 꿈의 계절아 / 눈물어린 무지개 계절아 목련꽃 그늘 아래서 / 베르테르의 편지를 읽노라. (‘4월의 시’, 박목월)목련꽃이 피건만 하늘은···4월의 아름다움은 목련이다. 파랗게 맑은 하늘과 하얀 목련꽃의 어울림은 겨울이 물러가는 색깔이기도 하다. 학교 운동장의 목련꽃이 활짝 피기 시작했다.그러나 4월 하늘은 파랗기보다 황사와 미세먼지로 뿌옇다. 어쩌다 우리의 건강을 위협하는 시기가 되어버린 것인지. 지난달 26일 한때 서울의 세계대기질 지수(AQI)가 170을 기록했다. 이는 ‘대기가 매우 나쁜 도시’ 10위 안에 드는 수치였다. 이번 지면에선 우리의 건강을 위협하는, 요즘 언론에 자주 오르는 미세먼지와 초미세먼지에 대해 알아보자.미세먼지(PM10)가 위험한 이유는 입자가 미세해 코 점막을 통해 걸러지지 않고 흡입 시 폐포까지 직접 침투해 천식과 폐질환 유병률 및 조기 사망률을 높이기 때문이다. 2009년 국립환경과학원과 인하대학이 공동으로 발표한 사망률 관련 연구 결과를 살펴보면 서울에서 PM2.5 농도가 평상시보다 10㎍/㎥ 증가하면 일별 조기사망률이 0.18% 증가하며 65세 이상 노인(민감 집단)의 사망률은 1.1% 증가한다. 2013년 세계보건기구 산하 국제암연구소(IARC: International Agency for Research on Cancer)는 미세먼지를 1군 발암물질(Group 1)로 지정했다. 세계 각국에서는 10㎛ 이하의 먼지 기준을 정해 엄격하게 규제하고 있다. 한국에서도 1995년부터 이들의 농도를 미세먼지 기준으로
-
과학 기타이온·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
-
과학 기타주기율표 (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
-
과학 기타주기율표
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
-
과학 기타
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
-
과학 기타별의 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