화학 고2 물질의 구조와 성질

동위 원소

양성자 수는 같고 중성자 수가 달라 질량수가 다른 같은 원소의 변종이다. ¹H·²H(중수소)·³H(삼중수소)가 대표적이며, 방사성 동위 원소는 의학·고고학에 활용된다.

양성자 수는 같지만 중성자 수가 달라 질량수가 서로 다른, 같은 원소의 원자들입니다.

같은 사람이 두꺼운 옷을 입었을 때와 얇은 옷을 입었을 때 같습니다. 무게는 달라지지만 사람은 같은 사람입니다. 원소의 정체는 양성자 수가 정하고, 중성자는 무게만 바꿉니다.

쉽게 말하면

원소를 결정하는 것은 오직 양성자 수입니다. 양성자가 6개면 그 원자는 무슨 일이 있어도 탄소입니다. 중성자가 6개든 8개든 마찬가지입니다. 그래서 $^{12} C$ 와 $^{14} C$ 는 둘 다 탄소이고, 서로 동위 원소입니다.

동위 원소끼리는 양성자 수가 같으니 전자 수도 같고, 따라서 전자 배치도 같습니다. 화학 반응은 바깥쪽 전자가 하는 일이므로, 동위 원소의 화학적 성질은 사실상 같습니다. 달라지는 것은 질량에 관계된 물리적 성질입니다. 무거운 동위 원소는 조금 더 천천히 움직이고 확산도 느립니다.

원자량이 정수로 딱 떨어지지 않는 이유가 여기에 있습니다. 자연에 있는 염소는 $^{35} Cl$ 와 $^{37} Cl$ 가 섞여 있고, 우리가 쓰는 원자량은 이 둘을 존재 비율로 가중 평균한 값입니다. 이것이 평균 원자량이며, 원자량과 화학식량이 소수로 나오는 이유입니다.

중성자가 너무 많거나 적어 원자핵이 불안정한 동위 원소를 방사성 동위 원소라 합니다. 이들은 스스로 입자나 에너지를 내놓으며 다른 핵으로 변합니다(방사성 붕괴). 이 성질을 이용해 암을 치료하고, 유물의 나이를 재고(절대 연령(방사성 동위원소)), 몸속 장기의 사진을 찍습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

수소의 세 동위 원소

$^{1} H (양성자 1, 중성자 0),^{2} H (중성자 1),^{3} H (중성자 2)$

$^{2} H$ 를 중수소, $^{3} H$ 를 삼중수소라고 부릅니다. 수소는 원래 가벼워서 중성자 하나만 늘어도 질량이 두 배가 되므로, 동위 원소 사이 성질 차이가 유난히 크게 나타나는 특이한 원소입니다.
예시 2

$^{14} C$ 로 유물의 나이를 잰다

살아 있는 생물은 공기 중의 탄소를 계속 받아들여 몸속 $^{14} C$ 비율을 일정하게 유지합니다. 죽는 순간 공급이 끊기고, 남아 있던 $^{14} C$ 는 반감기(약 5730년)에 따라 줄어듭니다. 남은 비율을 재면 죽은 지 얼마나 되었는지 계산할 수 있습니다.
예시 3

같은 원소인지 확인하는 법

$_{18}^{40} Ar$ 와 $_{20}^{40} Ca$ 는 질량수가 똑같이 40이지만 양성자 수가 달라 완전히 다른 원소입니다. 반대로 $_{17}^{35} Cl$ 와 $_{17}^{37} Cl$ 는 질량수가 달라도 양성자가 둘 다 17이라 같은 염소입니다. 아래 첨자(원자 번호)만 보면 됩니다.

자주 하는 오해

질량수가 다르면 다른 원소라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

^{12} C

와

^{14} C

는 무게가 다르니 성질도 다른 물질이다

실제로는둘 다 탄소이고, 화학적 성질은 사실상 같습니다.

원소의 정체는 양성자 수(원자 번호)가 결정합니다. 화학 반응은 가장 바깥 전자가 하는 일이고, 동위 원소끼리는 전자 수와 전자 배치가 같습니다. 그래서

^{14} C

도

^{12} C

와 똑같이 산소와 반응해

C O_{2}

가 되고, 그래서 생물이 구별 없이 흡수하며, 그래서 연대 측정이 가능한 것입니다.

동위 원소는 모두 방사성이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움동위 원소라는 말이 나오면 방사선이 나온다

실제로는대부분의 동위 원소는 안정하며 방사선을 내지 않습니다. 불안정한 일부만 방사성 동위 원소입니다.

우리가 마시는 물에도 중수소가 조금 섞여 있고, 우리 몸의 탄소 대부분은 안정한

^{12} C

와

^{13} C

입니다. 방사성은 '동위 원소이기 때문'이 아니라 '핵 안의 양성자와 중성자 비율이 안정한 범위를 벗어났기 때문'에 생깁니다. 두 개념을 겹쳐 놓으면 안 됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

원자량과 화학식량고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

평균 원자량고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

절대 연령(방사성 동위원소)고2 방사성 붕괴고3

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1동위 원소는 화학적 성질이 정말 완전히 같나요?

실용적으로는 같다고 봐도 되지만 아주 엄밀하게는 미세한 차이가 있습니다. 무거운 동위 원소는 결합이 조금 더 잘 끊어지지 않아 반응 속도가 살짝 느립니다. 이 차이가 가장 크게 나타나는 것이 수소와 중수소인데, 질량이 두 배나 차이 나기 때문입니다.

Q2질량수와 원자량은 어떻게 다른가요?

질량수는 양성자 수와 중성자 수를 더한 정수로, 동위 원소 하나하나에 붙는 번호표입니다. 원자량은 자연에 섞여 있는 동위 원소를 존재 비율로 평균한 값이라 대체로 소수입니다. 그래서 '염소의 질량수'라는 말은 성립하지 않고, '

^{35} Cl

의 질량수'라고 해야 맞습니다.

Q3동위 원소를 어떻게 구별해 내나요?

질량 분석기를 씁니다. 원자를 이온으로 만들어 자기장 속을 지나게 하면 무거운 이온일수록 덜 휘어집니다. 도착 지점이 갈리므로 질량이 다른 동위 원소가 분리되고, 각 봉우리의 높이에서 존재 비율까지 읽어 낼 수 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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