원소의 가장 작은 단위는 원자이지만, 비활성 기체만이 자연계에서 고립된 원자 상태로 존재한다. 대부분의 물질은 분자 또는 이온으로 구성되어 있다. 여기서는 분자에 대해 알아보도록 하고, 이온에 대해서는 다음 챕터에서 알아보도록 하자.
분자와 화학식
몇몇 원소들은 자연계에서 같은 종류의 원자들이 2개 이상 서로 결합하여 이루어진 분자 형태로 발견된다. 예를 들면 공기 중에서 발견되는 산소는 2개의 산소 원자로 이루어진 분자로 구성되어 있다. 앞에서 설명했듯이 이 분자 상태의 산소를 O2라는 화학식(chemical formula)으로 나타내고, 오 투 (oh two) 라고 읽는다. 화학식의 아래 첨자는 산소 분자가 2개의 원자로 이루어진 형태라는 것을 알려주고 있다. 이와 같이 2개의 원자로 이루어진 분자를 이원자 분자 (diatomic molecule) 라고 한다.
산소는 오존(ozone) 이라고 알려진 다른 형태의 분자로도 존재한다. 오존 분자는 3개의 산소 원자로 이루어져 있기 때문에 화학식은 O3이다. 보통의 산소와 오존은 둘 다 산소로 이루어져 있지만, 이들의 화학적 성질과 물리적 성질은 매우 다르다. 예를 들면 생명체에 O2는 필수적이지만, O3는 독이 된다. O2는 냄새가 없지만, 오존의 같은 경우에는 비린내 같은 자극적인 냄새가 난다는 특징이 있다.
일반적으로 이원자 분자의 형태로 나타나는 우너소는 수소, 산소, 질소, 할로젠 등을 예로 들 수 있다. 수소를 제외한 이원자 분자들은 주기율표의 오른쪽에 모여 있다. 분자로 이루어진 화합물을 분자 화합물 (molecular compound) 이라고 하며, 두가지 이상의 원자들을 포함한다. 예를 들면 메테인 (methane) 은 1개의 탄소 원자와 4개의 수소 원자로 이루어져 있으며, 화학식은 CH4가 된다. 탄소에 아래 첨자가 없는 것은 메테인 분자 1개에는 탄소 원자 1개가 있음을 보여준다. 원소 상태 및 화합물 상태로 존재하는 몇몇 분자들이 있다. 예를 들어 수소, 산소, 물, 과산화수소, 일산화 탄소, 이산화탄소, 메테인, 에틸린 등이 있다.각 물질의 조성이 화학식에 따라 어떻게 달라지는지 유의해야 할 필요가 있다. 또한 이 물질들은 모두 비금속 원소로 이루어져 있다. 우리가 보는 대부분의 분자성 물질은 비금속 원소로만 이루어져 있다는 사실에 유의해야 할 필요가 있다.
분자식과 실험식
분자를 구성하는 원자의 수와 종류를 나타내는 화학식을 분자식 (molecular formula)이라고 한다. 그리고 분자 내에 존재하는 원자의 종류와 상대적인 수를 나타내는 화학식을 실험식 (empirical formula) 이라고 한다. 실험식에 있는 아래 첨자들은 항상 가장 작은 정수비를 나타낸다. 예를 들면 과산화 수소의 분자식은 H2O2이며, 실험식은 HO이다. 에틸렌의 분자식은 C2H4이며, 실험식은 CH2이다. 물분자의 경우와 같이 많은 물질은 분자식과 실험식이 같다.
어떤 화합물의 분자식을 알면 그 분자의 실험식을 알 수 있다. 하지만 그 반대의 경우에는 가능하지 않다. 어느 물질의 실험식을 알고 있다고 할지라도 추가 정보를 갖지 않으면 분자식을 알아낼 수가 없다. 그런데 화학자들은 왜 어떤 물질의 실험식에 관심을 가지는가? 이후에 알게 되겠지만, 몇 가지 자주 사용하는 물질 분석법은 그 결과로부터 실험식만 알아낼 수 있기 때문이다. 일단 실험식을 알아낸 후, 추가 실험을 통하여 실험식을 분자식으로 전환하는 데 필요한 정보를 알아낼 수 있다. 또한 독립된 분자로 존재하지 않는 물질들도 있다. 이 경우에는 실험식으로 그 물질을 나타내야만 한다.
분자 그리기
한 물질의 분자식은 그 물질의 조성을 요약한 것이지만, 분자를 구성하는 원자가 어떻게 결합되어 있는지를 보여 주지는 않는다. 이 경우에는 구조식을 사용한다. 구조식(structural formula)은 분자를 구성하는 원자들이 분자 내에서 어떻게 결합하고 있는지를 보여 준다.
원자들은 원소 기호로 나타내고 원자들이 서로 연결된 결합은 선으로 나타낸다.
일반적으로 구조식으로부터 원자 간의 결합각과 같은 분자의 기하 구조를 알 수 있는 것은 아니다. 그러나 구조식은 삼차원 모양을 보이는 투시도도 나타낼 수 있다. 과학자들은 삼차원적인 분자를 형상화하기 위하여 다양한 모형들을 사용한다. 공-막대 모형에서는 원자를 공으로, 결합을 막대로 나타낸다. 이 모형은 서로 결합하고 있는 원자들의 결합각을 정확히 나태날 수 있는 장점이 있다. 원소 기호를 공에 적어 넣거나 다양한 색깔을 사용하여 원소를 구분한다.
공간 채움 모형은 원자의 크기를 확대하면 분자가 어떤 형태가 될 수 있는지를 보여 준다.
