분자

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1. 개요
2. 역사와 어원
3. 분자의 결합
4. 분자의 크기
5. 분자식
- 5.1. 화학식의 종류
6. 분자 과학
참조

1. 개요

분자는 두 개 이상의 원자가 화학 결합으로 결합된 안정적인 입자이다. 분자라는 개념은 고대 그리스 철학자들의 원자론에서 유래되었으며, 18세기 후반에 널리 사용되기 시작했다. 19세기 존 돌턴은 원자론과 배수비례의 법칙을 발표하여 원자의 존재를 주장했고, 아메데오 아보가드로는 기체의 가장 작은 입자는 원자가 아닌, 특정 수의 원자로 구성된 분자라고 주장했다. 분자는 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 등으로 결합하며, 분자식, 구조식, 시성식 등의 화학식으로 표현된다. 분자 과학은 분자 화학과 분자 물리학으로 나뉘며, 분자의 구조, 특성, 상호 작용을 연구한다. 분광학은 분자와 에너지의 상호 작용을 연구하는 중요한 방법이다.

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분자
기본 정보
이름	분자
분류	입자
구성	원자
상호작용	약한 상호작용 강한 상호작용 전자기 상호작용 중력 상호작용
전하	0
이론화	아메데오 아보가드로(1811년)
정의
설명	전기적으로 중성인 둘 이상의 원자 그룹
기타
발견	알 수 없음

2. 역사와 어원

메리엄 웹스터와 온라인 어원 사전에 따르면 “분자”라는 단어는 라틴어 “moles”(덩어리)의 지소사인 "molecula"에서 유래되었으며, 프랑스어 ''molécule''를 거쳐 18세기 후반부터 널리 사용되기 시작했다.^[44]^[45]

분자의 개념은 고대 그리스 철학자 데모크리토스와 레우키포스의 원자론까지 거슬러 올라가지만, 현대적인 분자 개념은 17세기 로버트 보일의 연구와 19세기 존 돌턴의 원자론, 아메데오 아보가드로의 분자설을 통해 정립되었다.

아메데오 아보가드로는 "분자(molecule)"라는 단어를 만들었다.^[48]

19세기 후반, 마르크 앙투안 오귀스트 고댕은 "부피 도표"를 통해 아보가드로의 가설을 시각적으로 명확히 제시하며 분자 개념의 이해를 돕는데 기여하였다.^[50]

마르크 앙투안 오귀스트 고댕의 기체상의 분자에 대한 부피 도표 (1833)

20세기 초, 장 페랭은 브라운 운동과 관련된 실험을 통해 분자의 실재성을 증명하였으며,^[51] 라이너스 폴링은 양자 역학을 기반으로 화학 결합의 본질을 규명하고 분자 구조 이론을 확립하여 분자 과학 발전에 크게 기여하였다.^[53]

3. 분자의 결합

분자는 원자 간의 화학 결합을 통해 형성되며, 주로 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 등이 있다.

분자들은 주로 공유 결합에 의해 결합되어 있다. 몇몇 비금속 원소는 보통의 조건에서 분자 상태로만 존재한다. 예를 들어 수소(H)는 주변에 반응물이 없는 상태에서 항상 수소 분자(H₂)로만 존재한다. 화합물의 분자는 두 종류 이상의 원소들로 구성되어 있다. 결합의 종류마다 세기나 유연성 등이 다르다. 예를 들면 이온 결합에 비해 공유 결합은 강력한 결합을 보여준다. 이 다양한 결합으로 다양한 물질들이 생기는 것이다.

산소 분자(산소 원자 2개, O₂)와 같이 하나의 화학 원소 원자로 이루어진 동핵 분자와, 물(수소 원자 2개와 산소 원자 1개, H₂O)과 같이 둘 이상의 원소로 이루어진 이핵 분자가 있다. 기체 분자 운동론에서는 모든 기체 입자를 그 구성에 관계없이 분자라고 부르는 경우가 많다. 이는 희유 기체가 단원자로 안정된 화학종이기 때문([단원자 분자]라고도 불림)에, 분자가 둘 이상의 원자를 포함한다는 조건을 완화한 것이다.^[42] 수소 결합이나 이온 결합 등 Non-covalent interaction|비공유 상호작용|label=비공유 결합^영어으로 결합된 원자나 복합체는 일반적으로 단일 분자로는 간주되지 않는다.^[43]

분자와 같은 개념은 오래전부터 논의되어 왔지만, 분자와 그 결합의 본질에 관한 근대적인 연구는 17세기에 시작되었다. 로버트 보일, 아메데오 아보가드로, 장 페랭, 라이너스 폴링 등의 과학자들에 의해 시간이 지남에 따라 세련된 분자 연구는 오늘날 분자 물리학 또는 분자 화학(molecular chemistry)으로 알려져 있다.

3. 1. 공유 결합

공유 결합은 원자들 사이에 전자쌍을 공유하는 화학 결합이다. 이러한 전자쌍은 ''공유쌍'' 또는 ''결합쌍''이라고 하며, 원자들이 전자를 공유할 때 원자들 사이의 인력과 척력의 안정적인 균형을 ''공유 결합''이라고 한다.^[22] 주로 비금속 원자들 사이에 전자쌍을 공유하여 궤도를 안정시키려고 하는 결합으로, 이러한 전하쌍은 공유전자쌍 또는 결합쌍이라고 불린다. 주변 환경으로부터 각 원자간의 안정적인 에너지 균형을 이룬 상태에서 전자를 공유할 때 공유 결합이라고 불린다.^[56]

3. 2. 이온 결합

이온 결합은 서로 다른 전하를 띤 이온 간의 정전기적 인력을 포함하는 화학 결합의 한 유형이며, 이온 화합물에서 일어나는 주요 상호 작용이다.^[23] 이온은 하나 이상의 전자를 잃은 원자(양이온)와 하나 이상의 전자를 얻은 원자(음이온)이다.^[23] 이러한 전자의 이동은 공유 결합과는 대조적으로 '전기 원자가'라고 한다. 가장 간단한 경우, 양이온은 금속 원자이고 음이온은 비금속 원자이지만, NH₄⁺ 또는 SO₄²⁻와 같은 분자 이온처럼 더 복잡한 성질을 가질 수도 있다. 일반적인 온도와 압력에서 이온 결합은 대부분 분리된 분자가 식별되지 않는 고체(때로는 액체)를 생성하지만, 이러한 물질이 기화/승화되면 전자가 충분히 이동하여 이온 결합으로 간주되는 분자가 생성된다.

나트륨과 플루오린이 산화환원 반응을 일으켜 플루오르화나트륨을 형성하는 모습. 나트륨은 바깥쪽 전자를 잃어 안정적인 전자 배치를 얻고, 이 전자는 발열적으로 플루오린 원자에 들어간다.

3. 3. 금속 결합

공유 결합으로 결합된 분자와 달리, 금속 결합은 응축상인 대부분의 금속에 적용된다. 따라서 고체 금속은 분자로 구성되지 않는다.

4. 분자의 크기

대부분의 분자는 너무 작아서 육안으로 볼 수 없다. 일반적으로 유기 합성에서 사용되는 분자의 크기는 수 옹스트롬(Å)에서 수십 Å 정도이다. 단일 분자는 빛으로 관찰할 수 없지만, 원자간력 현미경을 이용하면 일부 환경에서 소분자와 각 원자의 윤곽을 추적할 수 있다.^[68]

DNA와 같은 생체 고분자는 거시적 크기를 가질 수 있다. 가장 작은 분자는 이원자 분자인 수소(H₂)로, 결합 길이는 0.74 Å이다.^[24] 유효 분자 반지름은 용액에서 분자가 나타내는 크기이다.^[25]^[26]

5. 분자식

분자식은 분자를 구성하는 원자의 종류와 수를 나타내는 화학식이다. 분자식은 분자를 구성하는 원자들의 정확한 수를 반영하며, 서로 다른 분자를 특징짓는다.^[61]^[62] 예를 들어 아세틸렌의 분자식은 C₂H₂이지만, 아세트산(C₂H₄O₂)과 단당류의 실험식은 모두 CH₂O로 포름알데히드와도 같다.

분자의 화학식은 각 원자의 원소 기호, 원소나 원자의 수(아래첨자로 표기), 분자가 전하를 띌 경우 위첨자(전하의 숫자도 함께 표기)로 +, - 기호 등을 표기한다.

분자량은 화학식에서 계산할 수 있으며, 중성 탄소-12(¹²C 동위원소) 원자 질량의 1/12에 해당하는 일반적인 원자 질량 단위로 표시된다.^[61]^[62]

5. 1. 화학식의 종류

화학식은 화합물을 구성하는 원소의 종류와 원자의 수, 분자의 구조 등을 나타내는 식이다. 화학식의 종류에는 실험식, 분자식, 구조식, 시성식 등이 있다.^[27]^[28]

'''실험식'''은 화합물을 구성하는 원소들의 가장 간단한 정수 비를 나타낸다.^[61]^[62] 예를 들어 물은 항상 수소 원자와 산소 원자가 2:1의 비율로 구성되어 있고, 에탄올은 탄소, 수소, 산소가 2:6:1의 비율로 구성되어 있다. 그러나 실험식은 분자의 종류를 유일하게 결정하지는 못한다. 예를 들어 디메틸 에테르는 에탄올과 같은 비율을 갖는 이성질체이다.^[27]^[28]
'''분자식'''은 분자를 구성하는 원자의 정확한 수를 나타낸다. 서로 다른 이성질체는 같은 원자 조성을 가질 수 있지만, 분자식은 서로 다르다. 실험식과 분자식이 같은 경우도 있지만, 아세틸렌과 같이 다른 경우도 있다. 아세틸렌의 분자식은 C₂H₂이지만, 실험식은 CH이다.^[61]^[62]
'''구조식'''은 분자의 3차원적 구조를 나타내는 화학식이다. 특히 복잡한 구조를 갖는 분자의 경우, 분자식만으로는 분자를 완전히 특정하기 어려울 때 유용하다.
'''시성식'''은 분자의 특성을 나타내는 작용기나 치환기를 강조하여 나타내는 화학식이다. 예를 들어 아세트산의 시성식은 H₃CCOOH와 같이 카복시기(-COOH)를 따로 표기하여 나타낸다.

분자량은 화학식으로부터 계산할 수 있으며, 탄소-12 원자 질량의 1/12에 해당하는 원자 질량 단위로 표현된다.

6. 분자 과학

분자 과학은 분자의 구조, 성질, 반응 등을 연구하는 학문 분야이다. 분자가 나타내는 현상의 초점이 화학에 있는지 물리학에 있는지에 따라 분자 화학 또는 분자 물리학으로 나뉜다. 분자 화학은 화학 결합의 형성과 분해, 그리고 분자 간 상호작용을 지배하는 법칙들을 다루는 반면, 분자 물리학은 분자의 구조와 성질을 지배하는 법칙들을 다룬다. 그러나 실제로는 이러한 구분이 모호하다.

분자 과학에서 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정된 상태이다. 다원자 이온은 때때로 전하를 띤 분자로 유용하게 생각될 수 있다. 불안정한 분자라는 용어는 자유 라디칼, 분자 이온, 리드베르크 분자, 전이 상태, 반데르발스 힘 또는 보스-아인슈타인 응축에서와 같이 충돌하는 원자들의 시스템처럼 매우 반응적인 경우에 사용된다.

6. 1. 분자 화학

분자 화학은 화학 결합의 형성과 분해, 그리고 분자 간 상호작용을 지배하는 법칙들을 다룬다. 분자라는 개념은 루키포스와 데모크리토스와 같은 고대 그리스 철학자들에게서 기원하는데, 이들은 우주가 원자와 공허로 구성되어 있다고 주장했다. 엠페도클레스는 기본 원소와 원소 간 상호작용을 설명하는 "힘"을 상상했다.

로버트 보일은 1661년 저서 ''회의적인 화학자''에서 물질이 '입자들의 무리'로 구성되어 있으며, 화학적 변화는 이러한 무리의 재배열에서 비롯된다는 가설을 제시했다. 1789년 윌리엄 히긴스는 원자가 결합 개념을 예고하는 "궁극적인" 입자의 조합에 대한 견해를 발표했다.

아메데오 아보가드로는 "분자"라는 단어를 만들었으며,^[14] 1833년 프랑스 화학자 마르크 앙투안 오귀스트 고당은 "부피 도표"를 사용하여 원자량에 관한 아보가드로의 가설을 설명했다.^[16]

1926년, 프랑스 물리학자 장 페랭은 분자의 존재를 증명한 공로로 노벨 물리학상을 받았다.^[17] 1927년, 물리학자 프리츠 런던과 발터 하이틀러는 양자 역학을 적용하여 수소 분자의 인력과 척력을 다루었다.^[18]

1931년, 라이너스 폴링은 양자 역학을 사용하여 분자의 특성과 구조를 계산하는 "화학 결합의 본질"이라는 논문을 발표했다.^[19] 폴링은 혼성화 이론을 개발하여 CH₄와 같은 분자의 결합을 설명했다.

6. 2. 분자 물리학

분자 물리학은 분자의 구조와 성질을 지배하는 법칙을 연구하는 분야이다. 분자 과학은 초점이 화학인지 물리학인지에 따라 분자 물리학 또는 분자 화학이라고 불린다. 분자 물리학은 분자의 구조와 특성을 지배하는 법칙을 다루는 반면, 분자 화학은 화학 결합의 형성과 파괴로 이어지는 분자 간 상호 작용을 지배하는 법칙을 다룬다. 그러나 실제로는 이러한 구분이 모호하다. 분자 과학에서 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정적인 계 (결합 상태)로 구성된다. 다원자 이온은 때때로 전하를 띤 분자로 유용하게 생각될 수 있다. ''불안정한 분자''라는 용어는 매우 반응성이 높은 종, 즉 라디칼, 분자 이온, 리드베리 분자, 전이 상태, 반데르발스 복합체와 같이 수명이 짧은 전자와 원자핵의 집합체(공명) 또는 보스-아인슈타인 응축체와 같이 충돌하는 원자계를 나타내는 데 사용된다.^[42]

6. 3. 분자 기하학

분자는 고정된 평형 구조(결합 길이와 각도)를 가지며, 진동 및 회전 운동을 통해 지속적으로 진동한다.^[29] 순수 물질은 동일한 평균 기하학적 구조를 가진 분자로 구성된다. 분자의 화학식과 구조는 특히 반응성을 포함한 그 특성을 결정하는 두 가지 중요한 요소이다.^[63] 이성질체는 화학식을 공유하지만 일반적으로 서로 다른 구조 때문에 매우 다른 특성을 가진다. 특정 유형의 이성질체인 입체 이성질체는 매우 유사한 물리화학적 특성을 가지면서 동시에 다른 생화학적 활성을 가질 수 있다.

6. 4. 분광학

분광 화학은 에너지(혹은 진동수)와 상호작용하는 분자들의 반응을 다룬다. 분자들은 에너지를 흡수하거나 방출하는 행위를 통하여 분자의 에너지 교환을 감지함으로써 분석될 수 있는 정량화된 에너지 준위를 가지고 있다.^[31]^[65] 분광 화학은 일반적으로 중성자나 전자 또는 고에너지의 엑스선과 같은 미립자들이 보통의 분자배열(결정에서처럼)로 상호작용하는 회절연구에는 나타나있지 않다.

마이크로파 분광법은 주로 분자의 회전에서의 변화를 측정하고 외부의 공간에서 분자를 확인하기 위해서 사용될 수 있다. 적외선 분광법은 늘어남, 구부림, 비틀림 등의 운동을 포함한 분자의 진동에서의 변화를 측정한다. 이것은 분자에서의 결합 또는 작용기의 종류를 확인하기 위해서 주로 사용된다. 전자의 배열에서의 변화들은 자외선, 가시광선 또는 근적외선에서 흡수선 또는 방출선을 만들고 색을 방출한다. 핵자기 공명 분광법은 실제로 분자에서 특정한 핵들의 환경을 측정하고 분자에서 다른 위치에 있는 원자들의 수를 특징짓기 위해서 사용될 수 있다.

6. 5. 이론적 양상

분자물리와 이론화학에서 분자 연구는 양자역학을 기반으로 하며, 화학 결합을 이해하는 데 필수적이다. 가장 간단한 분자인 수소 분자 이온(H₂⁺)은 두 개의 양성자와 한 개의 전자로 구성되어 있어 전자 간 반발이 없어 슈뢰딩거 방정식을 더 쉽게 풀 수 있다. 이러한 수소 분자 이온 연구를 통해 모든 화학 결합 중 가장 간단한 것은 일전자 결합이라는 기본 원리가 밝혀졌다.^[66] 고속 디지털 컴퓨터의 발달로 더 복잡한 분자에 대한 근사해를 구하는 것이 가능해졌으며, 이는 계산화학의 주요한 부분이다.^[66]

국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)은 원자 배열이 분자로 간주될 만큼 충분히 안정적인지 정의하기 위해 "적어도 하나의 진동 상태를 가둘 만큼 충분히 깊은 퍼텐셜 에너지 표면의 함몰에 해당해야 한다"고 제안한다.^[4] 이 정의는 원자 간 상호작용의 성질이 아닌 세기에만 의존한다. 예를 들어, 헬륨 이합체(He₂)는 하나의 진동 결합 상태를 가지며 매우 약하게 결합되어 있어 매우 낮은 온도에서만 관찰될 수 있지만, 이러한 약한 결합 종도 분자에 포함된다.^[32]

철학적으로 분자는 기본적인 독립체가 아니라, 화학자가 관찰하는 세계에서 원자 크기 상호작용의 세기에 대한 유용한 상태를 만드는 방법이다.^[66]

참조

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