돌턴의 원자설의 수정

교과 지도 자료  2. 원자와 이온

Ⅰ. 물질의 구성

돌턴은 원자를 쪼갤 수 없고 변화하지 않는 완전한 입자로 설명하였다. 돌턴의 원자설은 과학의 발전으로 다음과 같이 수정되어야 한다.

⑴ 원자는 전자나 양성자, 중성자와 같은 더 작은 입자로 나눌 수 있다.

⑵ 같은 종류의 원소라 하더라도 질량이 서로 다른 원자가 존재한다. 이러한 원소를 동위원소라고 하며, 양성자의 수는 같지만 중성자의 수가 다른 원자들을 말하기도 한다.

⑶ 원자는 원자핵 분열 및 융합으로 인공적으로 다른 원자로 변환시킬 수도 있다.

원자의 구성 입자

원자의 크기는 원자핵 주위에 전자가 존재하는 공간의 크기를 말한다. 현재 알려진 원자의 지름은 대략 [eqn: 10^-10]m이며, 원자핵의 지름은 [eqn: 10^-15]～[eqn: 10^-14] m이다. 원자 질량의 대부분을 차지하는 원자핵은 원자 지름의 [eqn: { 1} over { 10^5}]～ [eqn: { 1} over { 10^4}]로 원자 전체 부피에 비하여 극히 작은 부분을 차지하고 있다.

모든 원자에는 (＋)전하를 띠는 원자핵과 그 주위에 (－)전하를 띠는 전자가 분포되어 있다. 그리고 원자핵은 (＋)전하를 띠는 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 이루어져 있다. 원자핵에 들어 있는 양성자의 수를 원자 번호라고 하는데, 같은 원소의 원자는 모두 같은 원자 번호를 갖는다. 원자는 전기적으로 중성이므로 대부분 다음과 같은 관계가 성립한다.

원자 번호＝양성자 수＝전자 수

전자의 질량은 양성자나 중성자에 비해 무시할 수 있을 정도로 작으므로 원자의 질량은 원자핵의 질량과 거의 같다. 따라서 원자핵 속의 양성자 수와 중성자 수를 합한 것을 질량수라고 한다.

질량수＝양성자 수＋중성자 수

원자 구조의 변천

⑴ 돌턴(1803년)：돌턴은 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 고체 입자로서 공과 같은 모형으로 제시하였다.

⑵ 톰슨(1904년)：톰슨은 건포도가 듬성듬성 박힌 푸딩과 같은 모형, 즉 (＋)전하를 고르게 띤 공 속에 (－)전하를 띤 전자들이 군데군데 박혀 있는 모형을 제안하였다.

⑶ 러더퍼드(1911년)：러더퍼드는 중심에 (＋)전하가 밀집된 원자핵 주위를 (－)전하를 띤 전자가 둘러싸고 있는 원자 모형을 제안하였다. 즉, 거의 모든 질량이 집중되어 있는 양전하를 띤 원자핵과 매우 먼 거리에 원자를 전기적 중성으로 만드는 충분한 개수의 전자가 태양계와 같은 원운동을 한다는 모형이다.

⑷ 보어(1913년)：보어는 전자가 원자핵 주위의 원형 궤도를 돌고 있는 새로운 원자 모형을 제안하였다.

⑸ 현대적 원자 모형(오비탈)：슈뢰딩거 등 여러 학자들의 견해를 토대로 전자의 위치를 확률로 표시하여 구름으로 나타낸 모형이다.

이온과 전해질에 대한 오개념

⑴ 중성 원자에서 이온의 형성과 관련된 오개념：학생들은 중성 원자의 원자핵이 (＋)전하를 띠고 전자에 비해 상대적 질량이 매우 크기 때문에 움직이지 않는다는 내용을 학습하였지만, 이온의 형성 시 원자핵이 움직인다고 생각하는 경우가 있다. 또한 전자를 잃으면 (＋)전하를 띠게 된다는 사실을 이해하지 못하는 경우도 있다. 전자가 (－)전하를 띠므로 전자를 잃으면 양이온이 된다는 사실을 충분히 설명한다.

⑵ 전해질을 통해 전자가 움직인다고 생각하는 오개념：전해질을 물에 녹였을 때 전극을 연결하면 전류가 흐른다. 학생들은 전해질 용액에 녹아 있는 양이온이 전자를 당기므로 전자가 이동하거나, 이온과는 무관하게 자유 전자가 전해질을 통과하면서 이동하여 전류가 흐른다는 오개념을 가지는 경우가 있다. 이러한 경우 전자는 (－)극에서 (＋)극으로 도선을 따라 이동하며, 전해질을 통해 움직이지 않음을 설명한다.