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우주에는 가벼운 수소부터 무거운 원소에 이르기까지 여러 종류의 원자들이 존재 하고 있다. 이처럼 다양한 종류의 원자들은 서로 반응하면서 새로운 물질을 생성한다. 우주에 존재하는 물질의 종류에는 어떤 것이 있으며, 어떻게 생성된 것일까? 우주에서 헬륨 원자가 다른 원자와 새로운 화합물을 형성하지 않고 그 자체로 존재한다는 사실은 헬륨 원자가 우주에서 안정하다는 것이다. 그렇다면 수소의 경우 수소 원자로만 존재하지 않고 수소 분자로도 존재하는 이유는 무엇일까? 중성 상태의 수소 원자는 전자를 1개 가지고 있는데, 전자 1개로는 수소 원자가 그리 안정하지 않다. 수소 원자가 안정하기 위해서는 헬륨처럼 전자를 2개 가지면 된다. 이를 위해서 수소는 원자끼리 부딪칠 때 상대방의 전자를 서로 공유하는 방식으로 결합하여 안정된다. 이렇게 원자들 사이에 전자를 서로 나누어 가지면서 연결되는 것을 공유 결합이라고 한다. 수소 원자와 수소 원자가 이루는 공유 결합은 나타날 수 있다. 여기서 전자 한 쌍으로 결합된 것을 ‘-’로 표현하여 간단하게 H-H라고 쓰기도 한다. 이때 전자쌍으로 연결된 수소 원자와 수소 원자의 사이는 계속 가까워지는 것이 아니라 적당한 거리인 0.074 nm를 유지하며 존재한다. 그 까닭은 수소 원자핵 사이의 거리가 너무 가까워지면 서로 밀어내려는 반발력이 크게 작용하여 멀어지게 되고, 너무 멀리 떨어져 있으면 두 수소 원자끼리 서로 결합하기 위한 인력이 작용할 수 없기 때문이다. 수소 분자 형성 시 에너지 변화 수소 원자 성간에는 수소 분자 이외에도 다른 물질들이 많이 존재한다. 이 중에서 질소 원자는 짝짓지 않은 3개의 전자를 가지고 있다. 이처럼 짝짓지 않은 전자들을 가진 질소 원자는 수소 원자의 경우와 마찬가지로 전자들이 짝을 이루어 안정하고자 한다. 이때 질소 원자가 또 다른 질소 원자와 충돌하면 짝짓지 않은 3개의 전자들이 서로 짝을 이루어 안정한 질소 분자를 생성한다. 이렇게 원자들 사이에 3개의 전자를 서로 나눠 가져 연결되는 것을 삼중 공유 결합이라고 한다. 질소 원자와 질소 원자가 이루는 삼중 공유 결합은 나타날 수 있다. 3개의 전자쌍으로 이루어진 삼중 결합은 ‘≡’로 표현한다. 질소 분자는 두 질소 원자 간에 삼중 결합으로 단단하게 연결되어 있으므로, 결합되면 다시 질소 원자로 되돌아가기가 쉽지 않아 안정하다. 또한 질소 분자는 다른 물질과도 거의 반응하지 않고 안정하게 존재함으로써 우리에게 혜택을 주기도 한다. 과자 봉지가 부풀어 있는 것은 과자가 부서지지 않도록 질소를 충전했기 때문인데, 이 질소는 과자와 반응하지 않으며 상하지 않게 하는 역할도 한다. 성간에 존재하는 다양한 종류의 원자들이 반드시 같은 종류끼리만 결합하는 것은 아니다. 오히려 성간에는 서로 다른 종류의 원자들로 구성된 분자들이 굉장히 많이 존재하고 있다. 이처럼 서로 다른 종류의 원자들이 모여서 구성된 물질을 화합물이라고 한다. 예를 들어 사람을 비롯한 생명체도 결국은 우주에서 탄생한 것인데, 생명체는 대부분이 여러 다른 종류의 원자들이 모여서 만들어진 복잡하고 다양한 화합물로 구성되어 있다. 질소 원자는 짝짓지 않은 3개의 전자를 가지고 있어 수소 원자 1개와 만나더라도 짝짓지 않은 전자들이 모두 짝을 이룰 수는 없다. 질소 원자의 짝짓지 않은 전자들 이 모두 짝짓기 위해서는 짝짓지 않은 3개의 전자가 필요하므로 수소 원자 3개와 만나야 한다. 이렇게 해서 탄생되는 물질이 암모니아다. 암모니아 분자의 형성은 같이 나타날 수 있다. 이처럼 분자의 구성은 분자를 구성하는 원자들을 모두 적어 놓고 각각의 짝짓지 않은 전자들을 고려하면 쉽게 연상할 수 있다. 생물체의 생존에 절대적인 영향을 주는 물 분자의 경우도 이와 같은 방법으로 확인할 수 있다. 물은 산소 원자와 수소 원자가 결합하여 구성된다. 이중 산소 원자는 짝짓지 않은 전자를 2개 가지고 있다. 따라서 성간을 돌아다니던 산소 원자가 두 개의 수소 원자와 만나게 되면 전자 짝짓기 문제를 해결할 수 있게 된다. 이 경우에도 역시 산소 원자에 있는 2개의 짝짓지 않은 전자가 두 수소 원자 각각의 전자와 짝을 이루어 우리가 물이라고 부르는 H2O를 형성하는 것이다. 물은 우리에게 너무나 친숙한 소재이고, 인체를 구성하는 가장 중요한 성분 중의 하나이다. 또한, 지구의 표면은 70% 이상이 물로 덮여 있어 물이 없는 세상은 상상할 수도 없다. 우리가 우주 탐사를 계속하면서 생명체가 존재할 수 있는 가능성을 물의 존재로부터 추측하는 것도 이 때문이다. 우주 공간에 존재하는 화합물 중 가장 흔한 기체는 무엇일까? 이 기체는 화합물이므로 한 종류의 원소로만 구성된 수소나 헬륨과 같은 물질은 아니다. 그리고 이 화합물을 구성하는 원소들은 비교적 가벼운 원자로 성간에 흔히 분포하고 있어야 하며, 또한 형성된 화합물은 기체로 존재하고 안정해야 할 것이다. 이러한 조건을 충족하는 기체 화합물은 일산화탄소이다. 성간에 가장 많이 존재하는 일산화탄소는 어떻게, 그리고 얼마나 빠르게 만들어지는 것일까? 원소들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 반응 속도라고 한다. 반응이 진행될 때 반응물이나 생성물의 양은 변하므로 반응 속도는 단위 시간당 반응물 또는 생성물의 양에 대한 변화로 정의한다. 이러한 반응 속도는 반응하는 물질의 종류에 따라 다르며 항상 일정하지도 않다. 반응물이 반응을 통해 점점 감소하게 되면 반응물끼리 충돌하는 횟수도 감소하며, 생성된 분자도 다시 반응물로 분해될 수도 있다. 이에 따라 반응 속도는 항상 일정하지 않고 대부분 시간에 따라 감소한다. 한편 성간에 있는 원자들이 만나기만 하면 무조건 분자를 형성하지는 않는다. 원자들이 충돌하여 분자가 형성되기 위해서는 여러 가지 조건이 필요하다. 그렇다면 탄소 원자와 산소 원자가 만나 일산화탄소가 형성되는 데는 어떤 조건들이 필요할까? 가장 먼저 고려해야 할 조건은 반응할 원자들끼리 자주 충돌해야 한다는 점이다. 원자들끼리의 충돌이 없다면 반응은 일어날 수 없다. 그리고 원자들끼리의 충돌이 일어나는 경우에도 그 횟수가 빈번하지 않으면 반응이 일어나는 경우가 매우 드물게 되어 반응 속도도 매우 느리게 된다. 따라서 일산화탄소가 형성되기 위해서는 탄소 원자와 산소 원자의 충돌이 빈번하게 일어나야 하며, 이것은 결국 성간에 존재하는 원자들의 수가 많아야 한다는 것이다. 즉, 반응할 물질이 주어진 공간 안에 얼마나 많이 들어 있는가를 나타내는 정도인 농도가 반응 속도에 중요한 영향을 주는 것이다. 반응 속도 주어진 시간 동안 어떤 반응에서 원하는 물질이 얼마나 많이 소멸되거나 생성되는지를 나타내는 기준이다. 두 번째로 원자끼리 충돌할 때에는 제대로 부딪쳐야 할 필요가 있다. 탄소와 산소 원자 간에 비껴 맞거나 서로 어긋나서 마주치지 못하면 결합하여 형성될 수 없다. 따라서 결합이 형성되기 위해서는 원자 간에 반응이 일어나기 쉬운 방향으로 충돌해야 한다. 반응이 이루어지기 위해서 고려해야 할 또 하나의 조건은 각자 떠돌아다니고 있던 원자들이 충분한 에너지를 가지고 부딪쳐야 한다는 것이다. 화학 반응이 일어나 새로운 물질이 만들어지기 위해서는 에너지적으로 꼭 넘어야 할 장벽이 있다. 이러한 에너지 장벽을 활성화 에너지라고 하는데, 일산화탄소를 만들기 위해서 탄소와 산소 원자들은 활성화 에너지를 넘을 만한 에너지를 가지고 충돌하여야 하는 것이다. 탄소와 산소 원자가 충돌하여 일산화탄소가 형성될 때의 활성화 에너지를 나타낸 것이다. 일산화탄소가 생성되기 위한 활성화 에너지 탄소 원자와 산소 원자가 결합하여 일산화탄소가 생성되기 위해서는 일정한 크기의 활성화 에너지를 가지고 있어야 한다. 결국 반응 속도는 반응에 참여하는 물질이 활성화 에너지의 장벽을 넘을 수 있는 큰 에너지와 반응하기 쉬운 방향으로의 충돌로 얼마나 자주 부딪치는가에 따라서 결정된다. 일반적으로 온도가 높아지면 반응 속도는 커진다. 즉, 온도가 증가함에 따라 에너지 장벽을 넘는 반응 물질의 수가 증가하므로 반응 속도도 커지게 되는 것이다. 우주에서 탄소와 산소 원자가 충돌할 때도 마찬가지이다. 온도가 높을수록 충분한 에너지를 가지고 반응에 참여하는 원자들의 수가 많아지므로 일산화탄소가 빠르게 형성될 수 있는 것이다. 이처럼 온도가 높을수록 반응 속도가 커지는 반면, 활성화 에너지가 높을수록 반응 속도는 작아진다. 반응을 빠르게 할 수 있는 또 하나의 방법은 촉매를 사용하는 것이다. 촉매란 반응에서 소모되지 않으면서 반응의 속도를 조절할 수 있는 물질이다. 촉매는 주로 반응의 에너지 장벽인 활성화 에너지를 낮춰서 반응 물질들이 쉽게 생성물로 변할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 이와 같은 과정을 통해 성간에 존재하던 원자에서 다양한 종류의 물질들이 형성된 것이다. 이렇게 성간 원자에서 형성된 물질들이 지구와 지구에 살고있는 생명체를 이루는 구성 단위가 되어 우리 인류가 존재하게 되었다. 물질을 구성하는 원자들은 나름대로 독특한 성질을 가지는데, 이러한 성질은 각 원자들이 지니고 있는 최외각 전자의 수에 따라 다르게 나타난다. 주기율표는 지금까지 알려진 원자들의 물리적, 화학적 성질에 따른 분류표인데, 최외각 전자들의 수가 그 분류에 결정적인 역할을 한다. 주기율표의 모든 원자들은 각자 가장 가까이 위치한 비활성 원소와 같이 최외각 전 자들이 모두 채워진 상태로 안정화하려 한다. 이를 위하여 1족 원소들은 가지고 있던 1개의 최외각 전자를 내어 주므로 양이온이 되기 쉽다. 한편, 할로겐 원자들은 비활성 원소와 같은 전자 상태를 갖기 위하여 전자 하나를 받아 음이온으로 되기가 쉽다. 이와는 달리 탄소처럼 최외각 전자가 4개인 경우에는 일방적으로 전자를 내주거나 받아들이지 않고, 다른 원자들과 전자를 서로 공유함으로써 비활성 원소와 같은 전자 상태를 갖게 된다. 탄소 원자는 4개의 최외각 전자 각각이 수소 원자의 전자와 쌍을 이루어 메테인을 구성하면서 가장 가까이 있는 네온과 같은 전자 상태를 갖는다. 마찬가지로 메테인을 구성하는 수소 원자도 탄소 원자의 전자 1개를 공유하면서 헬륨과 같은 전자 상태가 된다. 또 다른 예로, 질소 원자는 5개의 최외각 전자 중 짝짓지 않은 전자 3개를 이용하여 수소 원자와 공유 결합하여 암모니아 분자를 만든다. 여기에 서도 질소와 수소 원자는 각각 공유 결합을 통하여 네온과 헬륨의 전자 상태가 된다.