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원자의 원소들

원자는 양성자·중성자·전자로 구성되어 있다.

양성자는 ＋1의 전하를 띠고 있으며 원자핵 내에 있는 양성자의 수로 원자의 종류가 구별된다. 중성자는 질량이 양성자와 거의 같으나 전하를 띠지 않고, 수소를 제외한 모든 원자핵에 양성자와 함께 들어 있다. 수소와 중수소는 양성자의 개수가 같으므로 화학적 성질이 같은데, 이들을 동위원소라고 한다.

－1의 전하를 띤 전자는 양성자보다 1,836배 정도 가벼우며, 궤도함수라고 하는 핵의 외부영역에 존재한다. 이들은 광자처럼 파동-입자 이중성이 있다. 전자를 입자로 간주했던 원자구조에 관한 초기 모형은 전자가 핵주위를 궤도운동하는 것으로 설명했지만 지금은 전자 궤도함수를 파동함수라는 정상파가 점유하는 공간의 범위로 해석되고 있다(→ 양자역학). 파동함수는 핵주위에서 전자를 발견할 확률이 높은 영역을 나타내며 결합이론에서 중요한 역할을 한다.

전기적 중성을 유지하기 위해 전자는 같은 수의 양성자가 필요하며, 전자의 수가 늘어날수록 핵에서 점점 먼거리에 있는 궤도함수를 채운다. 임의의 궤도함수에서 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지로부터 각 궤도함수의 에너지 준위를 알 수 있는데, 이들 에너지 준위는 양자화되어 있어 특정한 고유값을 가진다. 원자에 양성자가 첨가됨에 따라 각각 다른 원소가 되며, 2개 이상의 원소들이 결합을 통해 화합물을 만든다.

이온 결합과 공유결합

2개의 원자가 서로 가까이 접근하면 한 원자(A)의 최외각전자가 다른 원자(B)로 이동해 A^＋와 B^－ 이온이 생기게 된다.

이러한 이온의 정전기적 인력에 의해 이루어진 결합을 이온 결합이라고 한다. 대부분의 원소들은 이온 결합을 할 수 있는데, 이렇게 형성된 화합물들은 양이온과 음이온으로 이루어진 3차원적 배열을 하고 있으며, 대부분 녹는점이 높은 결정성 고체가 된다. 또다른 경우는 2개의 원자가 접근할 때 A와 B의 각각의 최외각전자가 쌍을 이루어 공유결합을 형성한다. 많은 원자들은 하나 이상의 공유결합을 통해 분자를 형성한다.

예를 들어 수소 기체는 2개의 수소원자가 공유결합으로 결합된 수소분자들로 이루어진 기체이다.

이들 화학결합을 설명하는 분자궤도함수이론에 따르면 분자 내 전자들은 분자궤도함수로 나타낼 수 있는 부분적으로 모든 원자에 널리 분포되어 있다. 이러한 분자궤도함수는 결합하고 있는 원자의 원자궤도함수가 결합할 때 생긴다.

즉 두 원자 A와 B가 결합해 분자 AB를 형성할 경우 2개의 원자궤도함수가 결합되어 2개의 분자궤도함수를 형성한다. 이중에 결합성 분자궤도함수(bonding molecular orbital)의 에너지 준위는 각 성분원자의 에너지 준위보다 낮으며, 전자의 확률밀도는 두 원자를 연결하는 핵간축 주위에 모여 있다. 반면 반결합성 분자궤도함수(antibonding molecular orbital)에서는 결합하는 두 원자의 핵 사이에 전자의 확률분포가 0인 마디평면(nodal plane)이 존재하는데, 여기에 전자가 채워지면 분자의 결합이 방해되어 약해진다.

이 두 궤도함수 사이의 에너지 차를 예측할 수 있으며 이러한 분자궤도함수에 대한 계산은 수학적으로 매우 어려우나 컴퓨터를 이용하면 몇몇 큰 분자에 대한 파동방정식을 풀 수 있다. 이러한 계산에 의해 예측된 분자의 성질은 실험치와 잘 일치한다.

이성질현상

많은 원소들은 둘 이상의 공유결합을 할 수 있으나 그중 극소수만이 확장된 공유결합 사슬을 형성할 수 있다.

가장 대표적인 예로 탄소원자는 4개의 공유결합을 할 수 있고 다른 탄소와 무작위로 제한 없이 결합할 수가 있다. 또한 4개의 수소와 결합해 메테인(CH₄)을 만드는데, 그 구조는 정4면체로서 C-H 결합길이는 1.1×10^－10m이고 H-C-H 결합각은 109°에 가깝다. 2개의 탄소원자가 결합해 에테인 분자를 형성하며, 4개의 탄소원자가 결합해 n-뷰테인이라는 선형 분자와 가지친 구조를 갖는 아이소뷰테인의 2가지 구조가 존재한다.

이 두 분자를 구조이성질체(분자식은 같으나 구성 원자의 배열이 다른 물질)라고 하는데, 이들은 물리적·화학적 성질이 다른 화합물로 탄소의 수가 증가할수록 가능한 이성질체의 수도 많아지며 탄소가 수소 이외의 산소·질소·황 등과 결합할 경우 더욱 많아지게 된다. 또한 CHCl=CHCl처럼 이중결합으로 결합되어 있는 분자는 2개의 다른 기하이성질체를 형성한다. 또한 한 탄소원자에 4개의 서로 다른 작용기가 결합되어 있는 경우 서로 겹쳐지지 않는 거울상 관계에 있는 2개의 광학이성질체가 존재한다. 이들은 편광면을 회전시키는 성질(광회전성)만 다르며 다른 물리적·화학적 성질은 같다.

10개의 탄소원자로 이루어진 분자에는 총 2¹⁰=1,024개의 이성질체가 존재하며 광학이성질체도 가능하지만 천연 분자에는 오직 1가지 형태의 광학이성질체만이 존재한다.