[원자 구조] 원자 질량과 원자량의 기본 개념

 

원자 질량과 원자량의 기본 개념

원자 구조 이해를 위한 원자질량, 원자량의 기본 개념에 대하여

 

고체 상태에서 물질은 원자의 배열 또는 물질을 구성하는 원자나 분자 사이의 상호작용에 따라 다양한 특성을 나타냅니다. 결국 이러한 고체의 특성을 이해하기 위해서는 원소 주기율표와 원자의 구조를 이해할 필요가 있습니다.

 

 

원자 구조의 모식도

 

 

각 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 아주 작은 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성됩니다. 전자와 양성자는 모두 전기적으로 대전되어 있으며 전하의 크기는 1.602 × 10^-19 C 입니다. 전자의 경우 음의 전하로, 양성자의 경우 양의 전하로 대전되어 있으며 중성자는 말 그대로 전기적 중성을 띄고 있습니다. 원자를 구성하는 아원자인 양성자, 중성자와 전자의 질량은 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 양성자와 중성자의 질량은 약 1.67 × 10^-27 kg의 질량을 가지며 전자는 이들보다 훨씬 가벼운 약 9.11 × 10^-31 kg의 질량을 가집니다.

 

 

주기율표에서 확인할 수 있는 원소 기호, 원자 번호, 원자 질량(질량수), 원자량 

 

 

 

원자 번호 (Atomic Number, Z)

 

모든 화학 원소들은 원자핵을 구성하는 양성자의 수, 즉 원자 번호(Atomic Number, Z)로 구분할 수 있습니다. 만약 전기적으로 중성이거나 원전한 원자라면 원자 번호 Z은 원자를 구성하고 있는 전자의 수와 동일합니다. 원자의 화학적 성질은 전자의 수, 특히 최외각에 존재하는 전자의 수에 의해 결정되기 때문에 원자 번호는 원자의 화학적 성질을 나타내는 중요한 숫자입니다. 수소는 가장 낮은 원자 번호인 1을 가지며 우라늄은 자연에서 발견할 수 있는 가장 높은 원자번호인 92를 가집니다.

 

원자 질량 (Atomic mass, A) 또는 질량수(Mass Number)

 

어떤 원자의 원자 질량(Atomic mass)는 원자핵을 이루는 양성자와 중성자의 질량의 합으로 표현할 수 있고 이를 종종 질량수(Mass number)라는 이름으로 표현합니다. 여기서 전자의 질량은 양성자 또는 중성자 무게에 비해 훨씬 가볍기 때문에 무시할 수 있으며 양성자와 중성자의 무게를 표준화하여 정수로 표현이 가능합니다. 수식으로 표현하면 아래와 같습니다.

 

A = Z + N (중성자 개수)

 

 

원자량(Atomic weight)

 

특정 원소의 경우 원자핵를 구성하는 양성자의 수는 동일하지만 중성자의 수가 다른 동위원소를 가지는 경우가 있습니다. 따라서 한 원소에 대해서도 둘 또는 그 이상의 서로 다른 원자 질량을 가질 수 있어 원자의 질량을 표현할 때 이를 모두 고려하여야 합니다. 이를 표현하기 위해 원자량(Atomic weight)를 이용하는데, 원자량은 자연적으로 존재하는 동위원소의 존재비를 기준으로 평균을 낸 원자 질량을 의미합니다. 따라서 동위원소가 없는 원소의 경우 원자량은 원자 질량(질량수)과 같지만 동위원소가 있는 원소의 원자량은 그렇지 않으며 정수로 표현되지 않습니다.

 

원자 질량 단위(Atomic mass unit, amu)

 

원자 질량 단위 (amu)는 원자량을 계산하는 데 사용되는 질량 표준 단위입니다. 탄소의 가장 일반적인 동위원소인 탄소12(¹²C)의 원자 질량을 기준으로 1/12의 값을 1로 정의합니다. 즉, 탄소를 기준으로 한 상대 변환 단위이기 때문에 단위는 없지만 수치적으로는 1 g/mol과 같은 표현입니다.

 

몰(Mole)

 

위의 개념을 활용한다면 원소의 원자량이나 화합물의 분자량은 원자 당 amu 또는 몰 당 질량으로 표현할 수 있습니다. 여기서 어떤 재료의 1 몰에 해당하는 양은 아보가드로 수인 6.023 × 10²³ 개의 원자 또는 분자로 구성된 양을 의미합니다. 예를 들어, 실리콘(규소, Silicon)의 원자량은 28.085 amu/atom 또는 28.085 g/mol로 표현할 수 있습니다.

 

 

참고 - 원자 질량과 원자량이라는 용어에 대하여

 

원자 질량과 원자량은 영어로 표현하면 각각 Atomic mass와 Atomic weight입니다. 여기서 Mass와 Weight라는 표현으로 인해 종종 두 개념을 혼동하는 경우가 있습니다. 질량은 물질의 양을 측정한 것이지만 무게는 중력장에서 질량의 작용 정도를 측정한 양입니다. 따라서 무게는 지구의 중력의 영향을 받는 양이며 중력장에 따라 변할 수도 있는 특성입니다.

 

처음 원자량이라는 개념과 용어가 등장하던 시기에는 동위원소의 존재가 알려지지 않았기 때문에 무게를 감안한 개념인 원자량을 이용해도 문제가 없었습니다. 하지만 F.W. Aston이라는 과학자가 질량분석기(Mass spectrometer)를 이용하여 네온(Ne)의 원자량을 분석한 결과 질량 스펙트럼 상 서로 다른 원자량을 가지는 두 개의 네온 원자가 존재한다는 것을 발견하였습니다. 구체적으로는, 네온 원자의 90%는 20 amu의 원자 질량을 가지며 10%는 22 amu의 원자 질량을 가진다는 것을 알게 되었으며 이를 통해 원자량은 대략 20.2 amu으로 계산됨을 밝히기도 했습니다. (실제 정밀한 질량 분석 장치가 개발된 후에는 네온은 20 amu, 21 amu, 22 amu를 가지는 총 3개의 안정한 동위원소가 존재하며 그 존재비가 각각 90.48%, 0.27%, 9.25%임을 알게 되었습니다.)

 

네온(Ne)의 질량 스펙트럼

 

원자량이 Atomic weight라고 표현되다 보니 원자 질량인 Atomic mass와 그 개념이 헷갈릴 수 있습니다. 과거의 역사로 인해 오늘날 이렇게 표현되지만 어쨋든 중요한 것은 원자량이 상대적인 원자 질량을 표현하는 개념이며 동위원소를 기반으로 존재비에 따라 평균을 낸 값이라는 것입니다.

 

탄소가 원자량의 기준이 된 이유

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