원자번호 / 질량수 / 동위원소 정의 및 개념 문제

원자번호란?

원자의 원자번호(atomic number, Z)는 원자의 핵 내에 있는 '양성자 수'를 의미합니다. 한 원소의 모든 원자는 원자 번호가 같고 각 원소의 원자 번호는 다른 원소의 원자번호와는 다릅니다. 그 예로, 세상에 존재하는 모든 탄소 원자(C)는 6개의 양성자를 가지고 있어 원자번호가 6이고, 모든 질소 원자(N)는 7개의 양성자를 가지고 있어 원자번호가 7이며, 모든 산소 원자(O)는 8개의 양성자를 가지고 있어 원자번호가 8입니다.

질량수란?

질량수(mass number, A)는 원자의 핵 내에 있는 '양성자 수와 중성자 수를 합한 수'를 말합니다. 각 양성자와 중성자는 종류에 관계 없이 갯수가 1개 늘어날 때마다 질량수가 1 늘어납니다.

 

ex) 양성자 수와 중성자 수가 각각 6개인 탄소 원자(C)의 질량수 : 12

      양성자 수가 6개이고, 중성자 수가 7개인 탄소 원자(C)의 질량수 : 13

      양성자 수가 6개이고, 중성자수가 10개인 탄소 원자(C)의 질량수 : 16

      양성자 수가 8개이고, 중성자 수가 8개인 산소 원자(O)의 질량수 : 16

 

질량수와 원자번호, 중성자 수

원자번호, 질량수 예시문제

Q. 다음 각 쌍의 두 원소의 양성자수, 중성자수, 전자수 얼마인지 구해보기

풀이 : (1)의 첫번째 원자의 질량수 = 16, 원자번호 = 8, 중성자 수 = 8 (중성자 수는 질량수 - 원자번호 이므로)

          (1)의 두번째 원자의 질량수 = 17, 원자번호 = 8, 중성자 수 = 9

          (2)의 첫번째 원자의 질량수 = 40, 원자번호 = 18, 중성자수 = 12

          (2)의 두번째 원자의 질량수 = 41, 원자번호 = 19, 중성자수 = 12

 

Key : 중성원소에서 원자번호(양성자수) = 전자수 이므로 (1)의 두 원자는 중성자 수, 질량수가 다르더라도 동일한 화학적 성질을 갖지만, (2)의 두 원자는 양성자수와 전자수가 다르므로 중성자 수가 같더라도 동일한 화학적 성질을 갖지 않음을 반드시 알아야 합니다.

동위원소란?

'질량수' 예시에서 언급한 것 처럼, 한 원소의 모든 원자들은 원자 번호는 같지만 질량수는 다를 수 있습니다.

이와 같이 원자번호는 동일하지만 중성자 수가 달라 질량수가 다른 것을 '동위원소(isotopes)'라 말합니다.

 

예를 들어, 자연계에서 발견되는 모든 탄소 원자는 6개의 양성자와 6개의 전자를 가지고 있지만,  약 98.9%가 6개의 중성자를 가지고 있고, 약 1.1%가 7개의 중성자를 가지고 있으며, 0.01% 미만으로 8개의 중성자를 가지고 있어 각각 질량수가 다릅니다.

 

 

"동위원소와 관련해서 중요하게 알아야 할 것은" 원소의 화학적 성질은 전자의 수에 따라 결정됩니다. 그래서 모든 동위원소는 질량수가 다르더라도 동일한 화학적 성질을 가지고 있습니다.

 

동위원소 예시문제

Q. 은(Ag, 원자번호 47)이 다음과 같은 존재비로 자연에 존재할 때, 주어진 자료를 활용하여 은(Ag)의 원자량을 계산해보기

동위원소	질량(amu)	존재비(%)
107Ag	107	51.8
109Ag	109	48.2

풀이 : 두 동위원소의 질량과 존재비로부터 동위원소 질량들의 평균을 알아내야 하므로, 존재비를 동위원소 질량에 곱하여 각 동위원소가 원자량에 기여하는 부분을 찾아야 합니다.

 

1) ¹⁰⁷Ag의 원자 질량 기여분 : 107 x 51.8% = 55.426amu

2) ¹⁰⁹Ag의 원자질량 기여분 : 109 x 48.2% = 52.538amu

3) 자연에서 존재하는 Ag의 원자량 : 55.426amu + 52.538amu = 107.964amu