원소·화합물·혼합물 — 물질 분류의 세 갈래

증류수 한 컵과 금 한 조각을 나란히 놓아 봅니다. 둘 다 한 가지 성분으로만 된 순물질입니다. 그런데 컵 속 물은 수소와 산소 두 원소가 결합해 있고, 금 조각은 금 원자 한 종류만 모여 있습니다. 같은 순물질인데 안의 모습이 다릅니다.

지난 글에서 물질을 순물질과 혼합물 두 갈래로 나눴습니다. 이번에는 순물질을 한 단계 더 들여다봅니다. 순물질은 다시 원소와 화합물로 갈라집니다. 여기에 혼합물까지 더하면 물질은 모두 세 갈래로 나뉩니다.

순물질은 다시 두 갈래로 나뉩니다

원소는 한 가지 종류의 원자만으로 이루어진 순물질입니다. 산소 분자(O₂)는 산소 원자만, 금(Au)은 금 원자만, 철(Fe)은 철 원자만 모여 있습니다. 안의 원자가 모두 같은 종류이면 원소입니다.

화합물은 두 가지 이상의 원소 원자가 결합하여 이루어진 순물질입니다. 물 분자(H₂O)는 수소 원자와 산소 원자가, 이산화탄소 분자(CO₂)는 탄소 원자와 산소 원자가, 소금(NaCl)은 나트륨 원자와 염소 원자가 결합해 있습니다.

갈래	안의 원자	예시
원소	한 종류만	O₂, H₂, Au, Fe, C
화합물	두 종류 이상 결합	H₂O, CO₂, NaCl, NH₃

중1에서 만난 홑원소 물질과 이번 글의 원소는 같은 뜻입니다. 한 가지 원소의 원자만으로 된 물질을 가리키는 짧은 이름이라고 보면 됩니다.

산소 분자(O₂) 는 산소 원자 두 개가 결합한 단위입니다. 두 원자 모두 같은 산소 원소이므로 원소 갈래에 속합니다.

금(Au) 은 금 원자만 모인 덩어리입니다. 반지나 장식으로 쓰이는 그 금이 화학에서는 원소의 대표 예시 가운데 하나입니다.

다이아몬드 는 모두 탄소 원자(C)만으로 이루어져 있습니다. 흑연도 같은 탄소 원자만으로 이루어져 있어 둘 다 원소 갈래입니다. 모양은 달라도 안의 원자는 한 종류입니다.

원소는 원자가 한 개라는 뜻이 아닙니다. 산소 분자처럼 같은 원자 두 개가 결합해 있어도, 다이아몬드처럼 수많은 탄소 원자가 결합해 있어도, 안의 원자가 모두 같은 종류이면 원소입니다.

물 분자(H₂O) 는 수소 원자 둘과 산소 원자 하나가 결합한 단위입니다. 두 원소가 함께 있으므로 화합물입니다.

이산화탄소 분자(CO₂) 는 탄소 원자 하나와 산소 원자 둘이 결합한 단위입니다. 탄소와 산소, 두 원소가 함께 있습니다.

소금(NaCl) 은 나트륨 원자와 염소 원자가 결합한 결정입니다. 분자 단위로 모이지는 않지만, 두 원소가 결합해 있다는 점에서 화합물 갈래에 속합니다.

원소 두 가지가 결합했다고 해서 모두 같은 화합물이 되지는 않습니다. 같은 수소와 산소가 만나도 결합하는 비에 따라 다른 화합물이 됩니다.

화합물의 가장 중요한 표지는 일정한 비율입니다. 화합물 안의 원자들은 무작정 결합하지 않고 정해진 비로 결합합니다.

물은 어디에서 만난 물이든 수소 원자 둘에 산소 원자 하나입니다. 컵 속의 물도, 빗방울 속의 물도, 강물 속의 물도 비가 같습니다. 이산화탄소도 마찬가지로 어디서나 탄소 원자 하나에 산소 원자 둘입니다.

만약 비가 달라지면 같은 물질이 아닙니다. 수소와 산소가 결합한 H₂O₂(과산화수소)는 물과 다른 화합물입니다. 같은 원소 두 가지가 결합해도 비가 달라지면 성질이 전혀 다른 물질이 됩니다.

이런 사실은 1797년 프랑스의 약사이자 화학자였던 프루스트(Proust)가 정리했습니다. 어디에서 캔 같은 화합물이든 안의 원자 비가 같다는 발견이었고, 오늘날에는 일정 성분비의 법칙으로 알려져 있습니다.

혼합물과 비교하면 차이가 분명해집니다. 바닷물 속 소금의 비는 컵마다, 바다마다 다를 수 있습니다. 같은 소금이라도 진한 컵과 묽은 컵의 비가 다릅니다. 혼합물은 비가 자유롭게 변하지만, 화합물은 비가 정해져 있어 바꿀 수 없습니다.

이번 글에서 다룬 세 갈래를 정리하면 이렇게 됩니다.

갈래	안의 원자	비	예시
원소	한 종류 원자만	—	O₂, Au, Fe, 다이아몬드
화합물	두 원소 이상 결합	일정한 비율	H₂O, CO₂, NaCl
혼합물	여러 물질이 섞임	비가 변할 수 있음	공기, 바닷물, 흙탕물

원자와 원소는 서로 다른 이름입니다. 원자는 알갱이 하나하나를 가리키고 한 개·두 개로 셀 수 있습니다. 원소는 같은 종류 원자를 묶어 부르는 분류 이름이라 그렇게 세지 않습니다. "산소 원자 두 개"는 자연스럽지만 "산소 원소 두 개"라는 표현은 어색합니다.

원소의 이름과 기호, 화합물의 결합 방식은 다음 글들에서 차례로 더 다룹니다.