기초 일반화학 : 물질세계 개념 3 - 돌턴의 원자론

돌턴(John Dalton)은 영국의 유명한 물리학자, 화학자, 기상학자였으며, '원자'라는 개념을 처음으로 확립한 학자입니다.

 

 

 

 1808년 돌턴은 "화학철학의 새로운 체계"라는 이론에서 물질에 대한 원자 이론을 일련의 가설들로써 표현하였는데요.

이것이 바로 그 유명한 돌턴의 원자론입니다. 

 

돌턴의 원자론의 가설

 

1. 모든 물질은 원자(atom)으로 구성되어 있으며, 이것은 새로 생겨나지도 않고 소멸되지도 않는 각각의 작은 자를 수 없는 입자로 이루어졌다. 

 

 이 가설은 앞에서 작성한 '원자설'의 글에서 소개한 2000년 데모크리토스가 제안한 "입자설"로부터 유래되었으며, 라부아지에가 주장한 질량 보존의 법칙을 반영합니다.

 본 가설을 통해서 바라본 돌턴의 원자구조는 아래 그림과 같이 '쪼개지지 않는 단단한 공모양"을 띄고 있습니다. 

 

돌턴의 원자구조

 

 

2.  한 원소의 원자는 다른 원소의 원자로 바뀔 수 없다. 화학반응에서 원래 물질의 원자들은 다른 물질을 형성하기 위해 재조합한다.

 

 

참고로, 이 가설은 추후에 원소기호 92번인 우라늄이 핵분열을 통해 원소기호 82번인 납으로 변할 수 있는 등의 사실들이 발견되면서 깨어지게 됩니다. 

 

 

 

 

3. 한 가지 원소의 원자들은 모두 동일한 질량과 성질을 가지며 다른 원소의 원자들과는 다른 성질을 갖는다.

 

 이 가설은 돌턴의 가장 주요한 생각으로 한 원소의 모든 원자는 유일한 질량과 성질을 가지고 있다는 뜻입니다. 

 

 

 

4. 화합물은 다른 원소의 원자들이 특정비로 화학 결합하여 생성된다.

 

 

 

 4번의 가설은 돌턴이 프로스트의 '일정성분비의 법칙'으로부터 직접 도출된 것으로 만약 두 원소가 결합하여 하나 이상의 화합물을 만드는 경우에, 이 화합물은 어디서 생성되고, 어떻게 생성되었던지와 관계없이, 동일한 원소들이 동일한 질량 분율로 이루어져 있다는 것입니다. 여기서 질량 분율이란 어떤 원소가 특정 화합물의 질량에 기여하는 비율을 뜻합니다.

 

가령 예를 들어, 바닷조개, 대리석 및 산호의 주성분은 탄산칼슘(CaCO3)입니다. 이 탄산칼슘은 칼슘, 탄소, 산소의 세 원소로 구성되어 있는데, 각 원소는 질량으로 일정한 비율로 존재합니다. 만약 탄산칼슘 20g에 대해 질량분석을 한다면 아래와 같이 조개의 것이든, 산호의 것이든 대리석에서 나온 탄산칼슘은 항상 질량으로 40% 칼슘, 12% 탄소, 그리고 48%의 산소를 포함하고 있음을 알 수 있습니다. 

 

이렇듯 프로스트의 일정성분비의 법칙을 통해 돌턴은 두 원소들이 모여서 두 가지 이상의 화합물을 만들 때 동일한 질량의 A라는 원소와 반응하는 B라는 원소 간의 질량은 간단한 정수비로 표현할 수 있다는 '배수 비례의 법칙'을 만들게 됩니다. 

 

 

 

돌턴의 배수비례의 법칙

 

'배수 비례의 법칙'은 일정 성분비의 법칙과 혼동이 될 수 있는데요. 질량 보존의 법칙이 "1개의 화합물의 질량 분율은 화합물을 이루고 있는 원자들의 질량 분율의 합과 같다"라고 정의할 수 있는 반면, 배수 비례의 법칙은 반대로 "두 가지 이상의 원소가 반응하여 두 가지 이상의 화합물을 만들 때 동일한 질량의 각 원소들은 간단한 정수비로 표현될 수 있다"입니다.

 

가장 쉬운 예로는 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)를 들 수 있는데요. 일산화탄소와 이산화탄소는 서로 다른 성질을 가진 화합물들입니다. 그리고 이 두가지 화합물을 구성하고 있는 원소는 탄소(C)와 산소(O)입니다.

 

 만약 일산화탄소와 이산화탄소를 같은 온도와 압력에서 측정하였을 때 일산화탄소의 밀도는 1.25g/L이고, 이산화탄소의 밀도는 1.98g/L입니다. 그리고 각각의 질량분석을 하였을 때 일산화탄소는 산소 57.1%와 탄소 42.9%, 이산화탄소는 산소 72.7%와 탄소 27.3%로 구성되어 있습니다.

 

이제 배수비례현상을 보기 위해 각 화합물의 산소와 탄소의 질량 백분율을 계산하면 아래와 같습니다.

 

 

이산화탄소의 포함된 탄소 g에 대한 산소 g을 일산화탄소의 탄소 g에 대한 산소 g으로 나누면 아래와 같이 정수비를 얻을 수 있습니다. 

 

이렇게 배수비례의 법칙은 일산화탄소와 이산화탄소와 같은 동종 원소들로 이루어진 두 화합물에서 한 원소의 다른 원소에 대한 상대적 질량비는 작은 정수비로 되어있다는 것을 입증한 것입니다. 

 

 

 

원자의 '질량'에 주목한 돌턴

 

돌턴이 위의 가설들을 세웠던 18세기의 원자설 지지자들은 모든 원자는 동일하다고 보았습니다. 그러나 돌턴은 각각의 원소는 그에 해당하는 고유한 원자로 구성되며, 각각의 원자는 고유한 질량을 가진다고 가정하였습니다. 그리고 원소들의 성질이 다른 이유는 원자들의 질량이 다르기 때문이라고 추론하였습니다. 

 

 돌턴이 원자들의 '질량'에 주목했던 이유는 돌턴이 가장 연구에 정성을 쏟았던 분야가 눈에 보이지 않는 '기체'를 통한 기상분야였던 것으로 알려져 있는데, 당시만 하더라도 원자의 존재는 눈으로 확인할 수 없었기 때문에 돌턴은 만약 기체도 물질이라면,  물질의 질량과 운동의 관계가 적용되는 물리법칙이 적용될 것이며 따라서 기체 역시 질량을 가져야 한다고 생각했기 때문입니다.

 

 

 

돌턴의 원자설이 질량법칙을 설명하는 방법

이와 같은 이유로 돌턴의 원자론의 가설 중 1번의 "원자는 새로 생겨나거나 소멸되지 않는다"와 가설 2번의 "다른 원자로 바뀌지 않는다"라는 두 가지의 가설을 이용하면 원자들이 단지 다른 원자들과 다른 비율로 결합하는 화학반응은 질량 변화를 일으키지 못하기 때문에  "화학 반응 동안에 물질의 총질량은 변하지 않는다"는 라부아지에의 질량 보존의 법칙을 설명할 수 있습니다. 

 

 

 또한 가설 3번의 "한 가지 원소의 원자들은 모두 동일한 질량과 성질을 가진다"와 가설 4번의 "화합물은 다른 원소의 원자들이 특정비로 화학 결합하여 생성된다"라는 두 가지 가설을 이용하여 화합물에서의 각 원소는 전체 질량에 대해 일정한 비율을 차지하게 되기 때문에 "특정한 화합물은 그 출처가 어떠하든지, 동일한 원소들이 동일한 질량 분율로 이루어져 있다는 프루스트의 "일정 성분비의 법칙"을 설명할 수 있습니다. 

 

이렇듯 돌턴의 원자론과 원자모형은 반응하는 원소의 질량을 원자의 관점에서 설명할 수 있게 되었습니다. 그러나 왜 원자들이 반응을 통해 결합할 수 있는지, 왜 화합물이 만들어질 때 원자들이 서로 다른 갯수로 결합되는지에 대해 설명할 수 없었다는 한계점을 지녔는데, 이는 돌턴의 원자모형에서의 원자는 당구공과 같은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 표현하였기 때문에 이후에 소개할 전자와 원자핵의 존재를 알 수 없었기 때문입니다.

 

 이러한 돌턴에 의해 규정된 원자 모형은 이후 19세기 영국의 물리학자 톰슨과 러더퍼드의 실험을 통해 전자와 원자핵이 발견되면서 구체화되게 됩니다. 

 

아래 글도 함께 보면 좋습니다

 

 

2021.09.23 - [투자 아이디어 에너지] - 기초 일반화학 : 물질세계 개념 2 - 보일의 J자관 실험 (입자설로의 유턴)

2021.09.23 - [투자 아이디어 에너지] - 기초일반화학 : 물질세계 개념 1 - 원자론

 

 

 

 

 

글봐주셔서 고맙습니다.

구독,좋아요

한 번씩만 눌러주시면 저에게 큰힘이 되겠습니다.

(비로그인도 구독,좋아요됩니다~ 마음껏 눌러주세요)