원자가 모이면 분자 — 물과 산소를 입자로 읽기

지난 시간에 물질의 기본 단위로 원자를 정리했습니다. 그런데 물 한 컵, 공기 한 모금, 우리가 내쉬는 숨을 들여다보면 원자는 거의 혼자 있지 않습니다. 두 개 또는 세 개가 결합하여 한 덩어리로 움직입니다.

이렇게 원자가 결합해 만든 단위를 화학에서는 분자라고 부릅니다. 물과 산소, 이산화탄소를 예로 들어 원자와 분자의 관계를 정리합니다.

분자는 원자가 결합한 단위#

분자는 원자 두 개 이상이 결합하여 하나로 움직이는 입자입니다. 원자는 기본 조각이고, 분자는 그 조각이 결합해 만든 한 단위입니다.

원자가 서로 붙어 떨어지지 않는 상태를 화학 결합이라고 합니다. 화학 결합이 원자를 단단히 묶어 주기 때문에, 분자는 하나의 덩어리로 함께 움직입니다.

원자와 분자를 함께 부르는 더 큰 이름이 입자입니다. 원자도 입자, 분자도 입자입니다.

같은 종류의 원자가 모인 분자 — 산소#

분자는 어떤 원자가 모였는가에 따라 두 가지로 나누어 볼 수 있습니다. 먼저 같은 종류의 원자가 모여 만든 분자입니다.

우리가 들이쉬는 공기 안에는 산소 원자 두 개가 결합한 산소 분자(O₂)가 약 21% 들어 있습니다. 나머지 대부분은 질소 원자 두 개가 결합한 질소 분자(N₂)이고, 수소 원자 두 개가 결합한 수소 분자(H₂)도 같은 종류의 원자가 모인 분자입니다.

기호 옆에 붙는 작은 숫자는 원자 개수를 뜻합니다. O₂는 산소 원자 두 개, H₂는 수소 원자 두 개라는 표기입니다. 이 작은 숫자를 아래 첨자라고 부릅니다.

다른 종류의 원자가 결합한 분자 — 물과 이산화탄소#

또 다른 종류는 서로 다른 원자가 결합해 만든 분자입니다. 우리 주변에서 가장 친숙한 두 분자가 여기에 해당합니다.

물 분자(H₂O)는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개가 결합한 분자입니다. 물 한 방울 안에는 이 물 분자가 빼곡히 모여 있습니다. 표기에서 H 옆의 작은 숫자 2는 수소 원자가 두 개라는 뜻이고, O는 생략된 1을 의미합니다.

이산화탄소 분자(CO₂)는 탄소 원자 한 개와 산소 원자 두 개가 결합한 분자입니다. 우리가 내쉬는 숨, 탄산 음료의 거품, 빵을 부풀게 하는 가스 모두 이산화탄소 분자입니다.

분자의 구성을 안다는 것은 어떤 원자가 몇 개씩 결합해 있는지를 안다는 뜻입니다.

모형으로 보는 원자와 분자#

원자와 분자는 너무 작아서 눈으로 직접 볼 수 없습니다. 그래서 화학에서는 작은 공과 막대로 단순화한 모형으로 분자를 나타냅니다. 공 하나가 원자, 공이 막대로 이어진 덩어리가 분자에 해당합니다.

같은 분자라도 다루는 단원에 따라 다른 모형으로 그릴 수 있습니다. 핵심은 모형의 모양이 아니라, 그 모형이 어떤 원자가 어떻게 결합했는지 설명한다는 점입니다. 지난 시간에 살펴본 원자 모형이 그대로 분자 모형으로 이어집니다.

원자 하나로도 분자가 되는 경우#

지금까지는 분자를 "원자가 두 개 이상 결합한 단위"로 정리했습니다. 다만 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar)처럼 다른 원자와 잘 결합하지 않는 원자도 있습니다. 이들은 원자 한 개로도 안정하게 존재하기 때문에 중등 화학에서는 원자 하나를 분자 하나로 다루며, 이를 단원자 분자라고 부릅니다. 더 깊이 들어가면 결합하지 않는 이유까지 다루지만, 중등 화학에서는 이런 예외가 있다는 사실만 정리해 두면 충분합니다.