탄소가 원자량의 기준이 된 이유

탄소가 원자량의 기준이 된 이유

탄소가 원자량의 기준이 된 이유

 

탄소가 원자량의 기준이 된 이유는 과거의 부족한 기술력에서 촉발된 물리학자와 화학자들 사이의 오해와 실용성에 의한 논쟁에서 시작합니다.

 

몰과 원자량의 개념은 19세기 초 원자이론의 초창기 연구자인 존 돌턴(John Dalton)의 이론으로 시작되었습니다. 그 당시 돌턴의 연구에 의해 통일된 원자량의 단위는 그의 이름으로 명명되었고 많은 과학자들이 원소에 대해 관심을 가지기 시작하였습니다. 하지만 제대로 된 주기율표는 아직 만들어지지 못한 시기였고 여러가지 계측기기의 재현성도 문제가 있어 원자의 무게를 측정하고 비교하는데 많은 실수가 있었습니다. 그 예로, 돌턴은 물이 H₂O가 아닌, HO로 구성되어 있다고 예측했을 정도였습니다.

 

어쨋든, 원자량 측정의 문제를 최소화하기위해 화학자들은 지구에서 가장 흔히 볼 수 있는 원소 중 하나인 산소를 기준으로 원자량 측정의 표준을 정했습니다. 이 당시에는 동위원소에 대한 개념이 없었고 측정 또한 정밀하지 못했기 때문에 큰 문제가 없어보였습니다.

 

산소의 동위원소

 

하지만 원자 수준의 입자를 다루는 물리학자들의 연구결과 자연에서 발견되는 산소는 3가지의 동위원소(¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O)가 있음이 밝혀졌습니다. 이 연구결과를 바탕으로 물리학자들은 화학자들과 다르게 동위원소의 혼합이 아닌 ¹⁶O를 원자량의 기준으로 원자량 측정의 표준을 정했습니다. 이로인해 화학자들과 물리학자들 사이에서는 원자량의 차이가 발생하게 되었습니다. (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O의 원자량은 각각 15.994915, 16.999131, 17.999161인데 여기에 ¹⁷O는 평균 380 ppm, ¹⁸O는 평균 2050 ppm의 농도로 포함되어 있기에 차이가 발생하는 것입니다.)

 

자연계에 존재하는 산소의 동위원소 혼합비율은 위치에 일정하지 않고 시간, 장소 및 기후에 따라 조금씩 차이가 있습니다. 가장 큰 문제는 ¹⁶O와 ¹⁸O의 비율 변화였습니다. ¹⁶O를 포함한 물은 ¹⁸O를 포함한 물보다 조금 더 잘 증발하기 때문에 열대기후의 바다에는 산소 동위원소 중 ¹⁸O의 비율이 증가합니다. 또한 ¹⁸O를 포함하는 물은 ¹⁶O보다 더 쉽게 응결되어 열대지방의 빗물에는 ¹⁸O의 비율이 더 높아지며 상대적으로 고위도 지역의 ¹⁸O 비율은 낮아집니다. IUPAC의 기술보고서에 따르면 이로 인한 산소 원자량의 범위는 15.99903에서 15.99977까지 변할 수 있다고 합니다.

 

이런 문제가 있기에 물리학자들은 자연상태에서 대부분을 차지하고 있는 산소의 동위원소인 ¹⁶O를 원자량의 표준으로 정하였습니다. 하지만 이러한 표준의 변경으로 인해 화학자들은 그들이 측정하고 배포한 원자량에 용인하기 힘든 큰 변화가 불가피하다고 주장했습니다. 또한 화학 산업에서 사용되는 여러가지 공정 조건과 레시피를 다시 작성해야하며 이러한 변경에 따른 비용발생이 심각하기 때문에 물리학자들의 제안을 반대하였습니다.

 

탄소의 동위원소

 

이에 다른 대안을 찾기 시작한 물리학자들과 화학자들은 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가지고 있는 탄소(¹²C)를 기준으로 표준을 정하고 절충안을 마련하기 시작했습니다. 원자량의 기준을 ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O를 포함하는 자연 상태의 산소 1몰 질량의 1/16으로 정의하는 것에서 탄소의 동위원소 중 ¹²C 1몰 질량의 1/12로 정하는 것으로 합의하였습니다. 그 결과 원자량의 기준을 ¹⁶O의 1/16로 변경할 때 발생하는 원자량의 오차인 275 ppm을 42 ppm으로 크게 줄일 수 있었습니다. 탄소를 기준으로 한 새로운 표준이 적용되며 순수한 동위원소를 기반으로 다른 원소들의 정확한 원자량 측정이 가능해졌으며 산업적 혼란 역시 발생하지 않았습니다.

 

[원자 구조] 원자 질량과 원자량의 기본 개념

 

요약

 

1. 과거 화학자들은 자연계에 널리 존재하는 산소를 기준으로 원자량의 기준을 정하였음

2. 그 당시에는 동위원소의 개념이 없었으며 측정 또한 정밀하지 못하여 큰 문제가 없었음

3. 원자 수준의 입자를 다루는 물리학자들에 의해 산소 원자의 동위원소의 존재가 밝혀짐

4. 물리학자들은 산소의 동위원소 중 산소16(16O)를 원자량의 기준으로 정함

5. 동위원소의 비율 변화로 인해 화학자와 물리학자 사이에 원자량의 차이가 발생함

6. 과학적, 산업적 혼란을 막기 위해 탄소12(12C)를 원자량의 표준으로 정하는 절충안 마련

7. 탄소의 동위원소 중 탄소12(12C) 1몰 질량의 1/12를 원자량의 기준으로 결정함