교과 지도 자료  1. 물질의 기본 성분, 원소

Ⅰ. 물질의 구성

시대에 따른 원소의 의미 변화

(1) 중세 이전의 정의：원소의 개념은 기원전 7세기부터 엠페도클레스, 플라톤, 아리스토텔레스 등의 철학자들이 ‘물질을 구성하는 성질’로 정의하였으므로, 원자를 언급하기보다는 이러한 개념을 정립한 시기로 보는 것이 좋다.

(2) 라부아지에의 정의：17세기에 들어서면서 보일과 라부아지에에 의해 원소가 ‘물질을 이루는 기본 성분’으로 정의되었다. 라부아지에는 뜨겁게 달군 긴 주철관에 물을 통과시켜 수소와 산소로 분해하여, 물이 원소라고 주장한 그리스와 연금술 시대의 원소설을 뒤집었다.

(3) 돌턴의 정의：19세기에 돌턴은 원자의 개념을 도입하여 ‘각 원소는 각각 일정한 성질과 질량을 가진 원자라고 하는 작은 입자들로 이루어졌다’고 설명하였다.

우리 몸에 필요한 원소

생활 주변에서 사용되는 원소

불꽃 반응의 원리

불꽃색은 원자가 어떤 파장을 가진 에너지를 방출하느냐에 따라 달라진다. 즉, 금속 원소를 겉불꽃에 넣으면 에너지를 받아 들뜬 상태로 되었다가 다시 원래 상태로 떨어지는데, 이 차이에 해당하는 에너지를 빛에너지의 형태로 방출하면서 고유한 불꽃색을 나타내게 된다. 이때 금속마다 방출하는 빛에너지가 각각 다르기 때문에 나타내는 빛의 색깔에도 차이가 생기게 되는 것이다.

불꽃 반응을 관찰할 수 있는 원소

불꽃 반응은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속에서 주로 나타난다. 이들은 전자 배치가 단순하여 전자들이 거의 정해진 파장의 빛을 흡수하여 들떴다가 다시 이를 방출하며 바닥상태로 안정화될 때 특정 영역의 빛을 내놓으므로 불꽃 반응을 관찰할 수 있다.

나트륨의 불꽃 반응색이 주황색으로 관찰되는 이유

불꽃 반응 실험의 가장 대표적인 예인 나트륨의 불꽃색은 노란색으로 알려져 있지만, 주황색 등 붉은 계통의 색으로도 관찰된다. 노란색이 아닌 색으로 관찰되는 현상은 시료 속의 불순물 등 실험 수행 조건 차이 또는 관찰자의 주관적 판단의 차이로 나타나는 경우도 있으나, 실험의 오류가 아닌 눈의 시각 센서가 빛의 세기에 따라 보이는 민감도의 차이일 수도 있다.

스펙트럼의 원리

⑴ 연속 스펙트럼：우리가 보는 빛은 여러 파장의 빛이 혼합된 전자기파이다. 태양광을 백색광(white light)이라고 하는 것은 거의 연속적으로 무수히 많은 수의 파장 성분을 가지고 있기 때문이다. 실제 태양광을 분광해보면 빨간색에서 보라색까지 연속적인 색깔 분포가 나타난다. 이러한 스펙트럼을 연속 스펙트럼(continuous spectrum)이라고 한다. 실제로 다양한 파장의 빛이 방출되는 태양광, 백열등, 응집된 물질로부터 방출되는 빛은 연속 스펙트럼을 나타낸다.

⑵ 선 스펙트럼：나트륨을 연소할 때 나오는 빛은 노란색의 선이 나타나는데, 이는 백열전구의 빛을 관찰할 때와는 다르다. 또 리튬과 스트론튬의 불꽃색은 둘 다 빨간색이지만 분광기로 살펴보면 빨간색 영역의 다른 파장에서 선 스펙트럼이 나타나므로 두 원소를 구분할 수 있다.
원자에서 방출되는 빛이 선 스펙트럼을 나타내는 이유는 원자에 포함된 전자가 가질 수 있는 에너지가 불연속적이기 때문이다. 원소의 스펙트럼에서 어떤 특정한 에너지의 빛이 없다면, 그 부분은 검게 나타난다.