8. 생물학 개론, 작은 분자 - 전자와 원소의 화학적 성질

   생물이 움직이고 성장하는 것은 어떤 이유 때문일까요? 단순히 숫자가 많아지는 것일까요 아니면 크기가 커져서 성장하는 것일까요? 또 생물이 움직이는 것은 어떤 원리로 작동하는 것일까요? 운동이란, 겉모습으로 보이는 것이 전부가 아닌, 우리 눈에는 보이지 않는 않는 미세한 전자와 원소의 화학적 작용으로 인해 생겨나는 활동입니다. 

   이와 같은 생물의 성장과 활동에 대한 가장 세부적인 부분의 작용에 대해 살펴 봅니다.

 

8. 생물학 개론, 작은 분자 - 전자와 원소의 화학적 성질

목차

 

▒ 생물학 개론, 작은 분자 - 전자와 원소의 화학적 성질   

 

● 전자와 원소의 화학적 성질   

생물학자들은 원소의 화학적 활성에 대하여 관심을 갖는데, 이 화학적 활성은 결국 전자의 작용에 의해 나타난다. 실제로 모든 화학반응은 빠른 속도로 움직이 는 조그만 전자의 작용에 의존하며, 생물학자들은 특히 다른 원자와의 상호 반응 으로 분자를 형성하는 전자의 작용을 중요하게 생각한다. 이들 중 특히 중요한 것은 SPONCH 원소로서, 모두 비교적 가볍다. 이들 가벼운 원소가 가진 전자적 특징이나 작용은 비교적 단순하여 이해하기에 쉽다.

전자의 에너지 수준과 전자껍질 전자는 원자핵 주위를 회전하면서 일정한 공간적 배열 상태를 나타낸다. 음전 하를 띠고 있는 전자는 특정한 에너지 준위를 갖고 있어 이 에너지에 의하여 양 전하를 띠고 있는 원자핵에 끌리지 않고 일정한 위치를 유지할 수 있다. 나아가 이 전자 에너지에 의해 핵 주위에 전자의 위치가 결정되는데, 에너지가 가장 적 은 전자가 핵에서 가장 가까이 존재하며, 에너지가 클수록 멀리 떨어져 있게 된 다. 실제로 전자의 에너지량에 따라 전자를 구분할 수 있는데, 이와 같은 구분을 에너지껍질(energy shell)이라고 한다.

   전자들은 외부로부터 에너지를 얻거나 또는 잃게 될 경우 원래의 껍질에서 다른 껍질로 이동하는데, 이와 같은 에너지의 변화 과정에서는 중간 단계의 에너지를 갖는 전자는 없다.

   에너지껍질과 궤도함수 각 에너지 껍질의 전자들은 일정한 순서로 배열되어 있으며 특이한 방법으로 움직인다. 예를 들어 전자들은 쌍을 이루고 있으며, 궤도 함수(orbital)라고 불리는 진로를 따라 운동한다. 또한 각 궤도함수에는 특유의 최대 전자수가 있으며 각 전자껍질에는 일정한 수의 궤도함수가 존재한다. 우선 전 자껍질과 궤도함수를 원자의 맨 안쪽부터 살펴보자.

   맨 안쪽 전자껍질은 1s라고 불리는 단일 궤도함수로 되어 있으며, 전자를 2개까지 포함한다. 한 개의 전자를 가진 수소는 1s 궤도함수가 꽉 차지 않은 유일한 원소이다. 1s 전자들은 원자의 가장 안쪽에 자리잡고 있으며 에너지가 가장 낮다. 이들 전자들은 핵 주위를 원형의 경로를 따라 움직이나 회전면이 쉴 새 없이 바뀌므로, 운동 전체를 보면 흡사 작은 구(sphere)를 이룬다고 할 수 있다. 헬륨 원소(원자번호 2)는 2개의 전자로 채워진 1s 궤도함수만을 갖는다.

   두번째 껍질의 궤도함수 배열도 일정한 규칙을 따르는데, 이 전자껍질은 최고 8개의 전자를 가질 수 있다. 이 전자들은 4개의 궤도함수에 분산되는데 각 궤도 함수는 최고 한 쌍의 전자를 포함한다. 이 중 한 쌍은 구형의 25 궤도함수를 따르며(1s와 같이), 나머지 세 쌍은 아령 모양(dumbbell-shaped)의 2p 궤도함수를 따라 움직인다. 2p 궤도함수는 각 전자쌍들이 다른 쌍들로부터 가능한 한 멀리 위치할 수 있도록 배열되어 있다. 짝수의 전자를 가지고 있고 외각이 전자로 차 있는 네온(neon)의 궤도함수를 보여 주고 있다. 2p 궤도 함수의 축을 x, y, z로 표시하고 있다.

   어떤 원소가 10개 이상의 전자를 가지고 있으면 세번째 껍질이 존재하게 되는데, 그 궤도함수는 두번째와 유사하며 3s, 3p 로 나타낸다. 만약 이것이 맨 바깥쪽 껍질이라면 전자를 8개까지 포함할 수 있다. 그 이상의 전자들은 네번째 껍질로 들어가게 된다. 칼슘은 20개의 전자를 갖는데, 계산대로 하면 2개의 전자가 바깥쪽 껍질인 4s 궤도함수에 있어야 될 것이다. 

   이와 같이 원자들은 첫번째 전자껍질에는 두 개의 전자를 포함하고, 다음 3개 의 전자껍질에는 각각 최고 8개의 전자를 포함할 수 있다. 다음의 그림은 황의 전자껍질을 동심원으로 나타낸 것인데, 전자에너지 껍질의 동심원적 표현은 구식 방법이기는 하지만 편리하다.

 

바륨의 에너지 껍질

 

● 에너지 경향   

   전자는 에너지 경향(energetic tendency)에 따라 일정한 성질을 나타낸다. 이와 같은 경향을 이해하기 위해서는 먼저 모든 물질(분자, 원자, 혼합물)은 항상 더 낮은 에너지 상태로 변하려 한다는 것을 알아야 한다(실제로 원자는 주어진 조건에 관계없이 가장 낮은 에너지 상태에 도달할 때까지 반응을 계속한다). 원자가 가장 낮은 에너지 수준에 있을 경우, 다시 반응을 하도록 하려면 이 원자의 에너지 수준을 높여야만 한다. 이러한 사실을 이해하고 다음과 같은 원자의 3가지 에너지 경향을 살펴보자.

   에너지 경향의 첫째는, 이미 언급한 바대로 전자가 쌍으로 존재한다는 점으로 전자는 쌍을 이룰 때 가장 낮은 에너지 상태를 유지한다. 쌍을 이루지 못한 전자는 낮은 에너지 상태에 있다고 할 수 없으며 때문에 주위의 이용 가능한 전자와 결합하여 전자쌍을 형성하고자 하는 경향이 있다. 그러므로 쌍을 이루지 못한 전자는 다른 원소의 전자들과 쉽게 쌍을 형성한다. 이와 같은 전자의 성질이 화학반응을 일으키는 중요한 요인이다.

   둘째는, 모든 원소는 외각을 채우려고 한다는 점이다. 몇 가지 원소의 경우에 는 자연적으로 외각이 채워져 있다. 예를 들어 전자의 수가 2, 10, 18인 원소가 그러한 것들로서 헬륨, 네온, 아르곤 등이다. 이들 원소들과 그 외 의 몇 가지 무거운 원소들은 반응성이 거의 없으며 흔히 이들을 '불활성 원소'라 고 한다.

 

원소표

 

   그러나 대부분의 원소는 외각이 채워져 있지 않고, 이 중에 많은 것들이 쌍을 이루지 못한 전자를 가지고 있으므로 불활성 원소의 경우는 예외라고 할 수 있다. 쌍을 이루지 못한 전자를 갖는 원소는 반응성이 대단히 높다. 예를 들어 원자번호가 홀수인 수소(1), 질소(7), 나트륨(11), 염소(17)는 분명히 전자가 짝을 이루지 못하고, 아울러 외각이 전자로 채워지지 않은 원소들인데, 이 들은 모두 놀랍도록 빠르게 반응한다. 이와 같은 두 에너지 경향은 우리에게 화 학적 활성에 대해 많은 것을 설명해 준다.

   세번째 에너지 경향은 모든 원자는 단일 원자처럼(전자, 양성자의 수가 동일) 전기적으로 중성을 유지하려 한다는 점이다. 언뜻 보기에 이 성질이 위의 두 가 지 에너지 경향에 속하는 것 같으나 쌍을 이루지 못한 전자가 쌍을 이루거나 외각을 전자로 채우게 되면, 전기적 하전의 균형이 깨지게 된다는 것을 생각해 보자. 그러므로 세번째 에너지 경향은 처음의 두 가지 에너지 경향과 일치하지 않는 셈이며 처음의 두 경향이 화학반응을 일으킨다면, 세번째 경향은 이와 같은 화학반응의 결과라 하겠다. 이를 다시 살펴보자.

 

 

( 다음에서 계속 )

 

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