원자론

기원전 5세기에 그리스의 철학자 데모크리토스는 모든 물질은 나누어지지 않는 매우 작은 입자로 구성되어 있다고 믿고, 이 입자를 atomos(쪼개거나 나눌 수 없다는 의미)라 하였다. 이러한 데모크리토스의 생각은 당시 많은 사람들(플라톤과 아리스토렐레스 등)로 부터 받아들여지지 않았지만, 어느 정도는 인정되었다.

과학적 연구에서 얻은 실험적 증거로부터 '원자론(atomos)'의 개념이 뒷받침되었으며, 원소와 화합물을 점점 근대적으로 정의하게 되었다. 그리고 마침내 1808년 영국의 과학자이자 교사였던 돌턴( John Dalton)은 원자라고 부르는, 나누어지지 않는 물질의 구성단위를 정확히 정의하였다.

현대 화학의 시대는 돌턴의 연구로부터 시작되었다. 돌턴 원자론의 바탕이 된 물질의 본질에 대한 가설은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성되어 있다. 

2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며, 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 같다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와는 서로 다르다.

3. 화합물은 두 가지 이상 원소의 원자로 이루어져 있다. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 즉, 간단한 분수이다.

4. 화학 반응은 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함한다. 다시 말해서, 원자는 화학 반응에 의해서 생성되거나 없어지지 않는다. 

 

원자에 대한 돌턴의 개녀은 데모크리토스의 개념보다 훨씬 더 자세하고 구체적이다. 두 번째 가설에서 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자들과 다르다고 하였다. 돌턴은 원자의 구조 또는 조성을 기술하기 위한 시도를 하지 않았으며, 실제로 원자가 어떻게 생겼는지 알지 못했다.

그러나 수소와 산소 원소의 서로 다른 성질이 수소 원자가 산소 원자와 같지 않다고 하는 가정을 함으로써 설명될 수 있다는 것을 그는 깨달았다.

세 번째 가설은 어떤 화합물을 만들기 위해서는 원소의 원자가 맞는 종류일 뿐만 아니라 이들 원자의 일정한 개수가 필요하다는 것을 제시하고 있다.

 

이러한 생각은 1799년 프랑스의 화학자 프루스트(Joseph Prost)가 발표한 법칙을 확장한 것이었다. 프루스트의 일정 성분비 법칙(law of definite proportions)에 따르면 동일 화합물에서는 시료가 다를지라도 포함하고 있는 구성 원소의 질량비가 항상 같다.

그러므로 만일 다른 출처에서 얻은 이산화탄소 시료를 분석하게 된다면 각 시료에서 탄소 대 산고의 질량비가 같다는 것을 발견하게 될것이다. 따라서 주어진 화합물에 들어 있는 서로 다른 원소의 질량비가 일정하다면 그 화합물에 있는 원소의 원자 비 또한 일정하다는 것은 이치에 맞다는 말이 된다.

돌턴의 세번째 가설은 또한 다른 중요한 법칙인 배수 비례 법칙(law of multiple proportions)을 뒷받침해준다.

이 법칙에 따르면 두 원소가 결하하여 둘 이상의 화합물을 만들 때 한 원소의 일정한 질량과 결합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립하게 된다.

돌턴의 이론은 배수 비례 법칙을 매우 간단히 설명하고 있다.

즉, 화합물에서 결합하고 있는 각 원소의 원자수가 다르다. 예로, 탄소는 산소와 결합하여 두 개의 안정된 화합물인 일산화탄소와 이산화탄소를 만든다.

현대적 측정기술에 의하면 일산화탄소는 탄소 원자 한개에 산소 원자 두개가 결합되어 만들어진다. 따라서 일산화 탄소에 있는 산소와 이산화 탄소에 있는 산소의 비율은 1:2 가 된다. 이 결과는 화합물에서 한 원소의 질량은 그 원소의 원자수에 비례하기 때문에 배수 비례 법칙과 동일하다고 할 수 있다.

돌턴의 네 번째 가설은 물질은 생성되거나 없어지지 않는다는 질량 보존 법칙(law of conservation of mass)을 달리 표현하고 있는 것이다. 물질은 화학 반응에서 변하지 않는 원자로 되어 있기 때문에 질량은 잘 보존 되어야 하는데, 물질의 본질에 대한 돌턴의 뛰어난 통찰력은 19세기 화학의 급속한 발전에 주요 자극제가 되었다.