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다이버들을 위한 기본물리와 화학 2)
james (211.♡.20.57)
11-11-19 00:00
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다이버들을 위한 기본 물리와 화학 2)
핵이 원소의 전체적인 크기에 비해 아주 작지만 질량의 99.9 퍼센트를 차지하며, 이는 양성자와 중성자가 전자보다 약 2000배나 무겁기 때문으로 입자들의 총 질량이 원자의 원자량(atomic mass)이 되며, 질량 이외에도 양성자의 숫자가 일반적으로 각 원소에 다른 특징을 부여합니다. 그러므로 하나의 원소는 단순히 원자에 있는 양성자의 숫자를 나타내는 하나의 원자번호를 가지며, 같은 원소의 어떤 원자들은 양성자 숫자는 같아도 중성자 숫자가 다를 수 있고, 이러한 같은 원소의 다른 차이점들을 동위원소(isotopes)라고 합니다.
다양한 방법을 통해 원자는 분자(molecules)를 형성하기 위해 서로 합해지기도 하는데 분자는 화합물(compounds)이라고 하는 다른 원소들로 이루어져 있고, 하나의 분자는 화합물의 특성을 간직하는 화합물의 가장 작은 입자이며, 이산화탄소(CO2)가 그 예가 됩니다. 각 이산화탄소 분자는 하나의 탄소 원자와 두 개의 산소 분자로 구성되어 있으며, 한 원소의 원자들이 가끔 분자들로부터 혼합되기도 하고, 이 원소의 예는 두 개의 질소 원자들이 공기에서 발견할 수 있는 질소 기체 분자를 형성하는 것으로 하나의 원소에서 온 원자들로만 구성되는 화합물을 분자원소(molecular elements)라고 합니다.
화합물은 보통 그 구성 원소들과는 완전히 다른 특성을 보이며, 이 개념을 잘 설명해 주는 것이 물로서 산소와 수소는 모두 물의 구성 요소로 원래 이들은 높은 반응가스(다른 물질과 쉽게 반응하는 기체)들이며, 그러나 화합물로서 합해져 물을 만들 때 이들은 그 원소 부분과는 근본적으로 다른 완전히 새롭고 완전히 안정적인 액체를 형성하게 됩니다.
혼합물과 그 구성 원소들의 특성상의 차이는 다른 원소로 이루어져 화합물에만 국한되지 않으며, 질소 기체와 같은 분자원소 역시 개별 원자 형태의 같은 원소와 다른 특성을 가질 수 있고, 원자는 화학결합(chemical bonds)을 형성함으로 화합물 분자를 만들기 위해 서로 연결됩니다. 이 화학결합의 형성을 화학반응(chemical reaction)이라고 하며, 오직 융화할 수 있는 원자구조를 가진 원자들만이 화학결합을 할 수 있고, 융화 가능성은 원자의 전자 상태에 따라 달라지며, 하나의 전자를 가진 한 원자가 화학결합을 형성할 수 있도록 하는 것을 반응적이라고 합니다.
원자가 얼마나 반응을 잘하는지는 원자의 외각에 있는 전자의 숫자에 따라 다르며, 외각이 가득 차 있으면(외각이 가질 수 있는 전자 수만큼 가지고 있으면)원자는 다른 것과 쉽게 합해지지 않을 것이며, 이런 원자는 반응적이 아닌 안정적으로 크게 안정적인 원자의 예는 불활성 기체인 헬륨과 네온입니다. 테크니컬 다이버들과 상업 다이버들은 이 안정성 때문에 헬륨을 호흡 기체로 사용하기도 합니다.
외각이 가질 수 있는 양보다 적은 전자를 가진 원자는 특정 다른 원소들과만 쉽게 결합될 수 있고, 본질적으로 이 원자들은 그들의 외각을 채우기 위해 다른 것과 결합하며, 이는 이온(ionic)결합 아니면 공유(covalent)결합을 통해 이루어집니다. 이온결합은 하나의 원자가 그 외각을 채우기 위해 다른 원자로부터 전자를 빼앗음으로 발생하며, 이는 전자를 주는 원자가 양성으로 대전되고(음성 대전 전자를 잃기 때문에) 받는 원자는 음성으로 대전되게(양성자보다 더 많은 전자를 가지기 때문)되며, 이 반대 대전이 두 개의 원자를 하나로 끌어당기게 됩니다.
이온결합의 예는 흔히 식탁에 놓여있는 소금(염화나트륨 “NaCl"로 적음)이고, 나트륨 원자는 그 외각에 11개의 전자만을 가지며, 그 반면 염소 원자는 외각에 거의 가득 찬 7개의 전자를 가지나 총 8개까지 함유할 수 있고, 염소는 나트륨의 외각에 있는 하나의 전자를 빼앗아 자신의 외각을 채우게 됩니다. 이로써 염소 원자는 양성자보다 전자가 하나 더 많아지게 되어 염소를 전체적으로 음성으로 전하되게 합니다. 나트륨 원자는 전자를 줌으로 전자보다 더 많은 양성자를 가져 총 양성으로 전하되게 되며, 각 원자들이 전하를 가지기 때문에 이온이라고 부르고, 이 두 개의 반대로 전하된 이온들은 서로를 끌어당겨 이온결합을 달성하여 염화나트륨이라는 화합물을 만들어내게 됩니다.
어떤 원자는 그들의 외각을 채우기 위해 전자를 주지도 받지도 않으며, 그 대신 두 개 또는 그 이상의 원자들은 서로의 외각을 채우기 위해 전자를 공유하고, 이를 공유결합(comalent bonding)이라고 하고 흔한 예는 물 분자입니다.
물의 경우 산소와 수소, 두 개의 크게 반응하는 원소들이 안정적인 화합물로 결합되며, 각 수소 원자는 오직 하나의 전자를 가지고 각각은 외각을 채우기 위해서 하나의 전자를 필요로 하며(내부 전자각은 2개 전자 만을 가질 수 있다) 두 개의 수소 전자를 공유함으로 산소는 필요한 두 개의 전자를 얻게 되고 수소는 그들이 필요로 하는 하나의 전자를 얻게 됩니다. 이 균형 잡힌 결(매 하나의 산소 원자마다 2개의 수소 원자)의 결과로서 물은 화학기호로 가장 잘 알려져 있는 H2O로 표현할 수 있게 되며, 이 분자 정리는 물에게 독특한 특성을 부여하게 됩니다.
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참고문헌: Instructor Manual(PADI)
The Encyclopedia of Recreational Diving(PADI)
Diving Knowledge Workbook(PADI)
Divemaster Manual(PADI)
스쿠바몰(그린피스) 코스디렉터 강 정훈
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