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대한민국의 상훈 패용방법과 위치
대수로 된 훈장(모든 1등급훈장, 2등급건국훈장 및 2등급수교훈장)은 대수로 된 정장을 오른편 어깨에서 왼편 가슴 아래로 두르며 부장은 왼편 가슴에 단다. 부장이 있는 중수로 된 훈장(2등급훈장과 건국훈장 3등급)은 정장이 가슴 중앙에 오도록 중수를 목에 걸고, 부장은 왼편 가슴에 단다. 부장이 없는 중수로 된 훈장(3등급훈장)은 정장이 가슴 중앙에 오도록 중수를 목에 건다. 소수로 된 훈장 및 포장(4등급 및 5등급 훈장과 포장)은 소수로 된 정장을 왼편 가슴에 단다.
2개 이상의 대수 또는 부장이 있는 중수로 된 훈장(1등급 및 2등급)은 그 중 하나의 정장 및 부장을 패용하고, 기타는 좌측 가슴에 부장만을 순차로 패용한다. 2개 이상의 부장이 없는 중수로 된 훈장(3등급)은 그중 하나의 정장만을 패용하고 기타는 그 수를 역삼각형(▽)으로 축소하여 좌측 가슴에 순차로 패용한다(수의 축소방법은 수의 폭을 1변으로 하여 정삼각형으로 접되 무늬가 좌로 내려가도록 한다). 소수로 된 훈장을 2개이상 패용할 경우(4등급, 5등급, 6등급훈장 및 포장)에는 그 패용순위에 따라 좌측 가슴에 순차로 패용한다.
대한민국의 상훈 패용방법과 위치
금장은 왼편 옷깃에 패용하며, 2개이상의 금장을 받은 경우 그중 하나만 패용한다.
대수로 된 훈장의 축소부장(정장은 축소하지 못함)은 좌측 가슴에 순차적으로 패용한다.
소수로 된 훈장 및 포장의 축소훈·포장은 왼편 옷깃에 순차로 활모양으로 열을 지어 패용한다.
약장(ribbon)은 좌측 가슴 호주머니 위에 패용한다. 2개이상의 약장을 패용할 경우에는 그 순위에 따라 패용한다. 동일종류, 동일등급 복수약장과 단수약장을 동시에 패용할 때에는 복수 약장을 선순위로 패용한다. 15개 이상의 약장을 패용할 때에는 축소한 약장을 패용할 수 있다.
대한민국의 상훈 훈장 규격의 축소
훈장은 필요한 경우 그 원형의 1/2비율로 축소할 수 있다. 축소훈장의 교부를 받고자 하는 경우 행정안전부 장관에게 신청하며 제작비는 본인이 부담하여야 한다. 대수 또는 중수로 된 1등급 및 2등급훈장과 건국훈장 3등급은 정장과 수는 축소할 수 없으나 부장 및 약장은 그 원형의 1/2비율로 축소할 수 있다.
건국훈장 3등급을 제외한 3등급훈장은 정장은 축소할 수 없으나 수만을 삼각형(△)으로 축소하며,약장은 그 원형의 1/2비율로 축소할 수 있다. 수의 축소방법은 수폭의 길이를 1변으로 하여 정삼각형으로 접어 무늬가 우에서 좌로 내려가도록 한다. 4등급 및 5등급 훈장은 정장과 약장을 그 원형의 1/2비율로 축소할 수 있다.
대한민국의 상훈 논란
울릉도 거점 간첩단 사건에 연루된 수사관이나 검사가 '간첩을 체포한 공로'로 보국훈장을 수여받았고, 2010년에 조작으로 판명된 이후에도 서훈이 취소되지 않았다는 논란이 있다. 이외에도 5·18 광주 민주화 운동 진압자들에 대해서도 표창이 수여되었고, 형제복지원 원장과 간첩 조작 사건 연루자들에게도 표창이 수여되었다. 그러나 행정안전부는 '부적절한 서훈 취소(안)'을 심의·의결해 훈장 21점, 포장 4점, 대통령 표창 17점, 국무총리 표창 14점 등 총 56점에 대해 서훈을 취소시켰다. 행정안전부는 앞으로도 부적절한 서훈을 적극적으로 찾아내 취소함으로써 정부 포상의 영예를 높이는 작업을 지속적으로 추진할 방침이다.
수교 이후 2013년까지 일본인의 수교훈장 수훈자는 326명이었는데 일본의 한국인 수교훈장과 비교해 상대적으로 남발되었다. 그리고 326명 가운데 일본제국주의와 관련되었거나 야스쿠니 신사참배, 독도망언을 한 12명은 받아서는 안되는 부적격자였다. 국민정서의 고려나 일정한 법적 기준도 없이 수여하는 방식도 정권에 따라, 정무적 판단에 따라 그때그때 달랐었다.
레오니드 레빈
레오니드 아나톨리에비치 레빈(영어: Leonid Anatolievich Levin, 러시아어: Леони́д Анато́льевич Ле́вин 레오니트 아나톨리예비치 레빈[*], 우크라이나어: Леоні́д Анато́лійович Ле́він 레오니드 아나톨리요비치 레빈[*], 1948년 11월 2일 ~ )은 소비에트 연방 드네프로페트로프스크(현 우크라이나의 드니프로페트로우스크)에서 출생한 전산학자, 수학자이다. 안드레이 콜모고로프의 제자였다. 1978년에 미국 국적을 얻어 현재 미국에 거주하고 있다.
전산학의 이론적 기반을 연구하면서 계산이론, 정보이론 등에서 많은 업적을 남겼다. 특히 스티븐 쿡이 발견한 NP-완전을 1973년에 독자적으로 발견했다. ‘쿡의 정리’ 혹은 ‘쿡-레빈 정리’라고 부르는 이 정리는 전산학 분야의 획기적 발견이며, 계산 복잡도 이론의 중요한 이론적 기반이다.
레오니드 레빈 읽어보기
그에 대한 자세한 이야기는 다음 책에서 한 장(chapter)에 걸쳐 설명하고 있다.
프로메테우스
프로메테우스(그리스어: Προμηθεΰς, 영어: Prometheus)는 고대 그리스 신화에서 올림포스의 신들보다 한 세대 앞서는 티탄족에 속하는 신이다. '먼저 생각하는 사람, 선지자(先知者)'라는 뜻이다. 티탄족인 이아페토스의 아들이며, 아틀라스, 에피메테우스, 메노이티오스, 헤스페로스와 형제였다.
대양신 오케아노스와 테티스의 딸인 님프 클리메네 혹은 아시아가 그의 어머니이며, 아내는 그의 이모이자 사촌인 오케아노스와 테티스의 딸 헤시오네이다. 일설에는 오케아노스와 테티스의 다른 딸인 아시아가 그의 아내라고도 한다. 아들은 데우칼리온이다.
헤시오도스 《신통기》에 따르면, 프로메테우스는 제 1세대 티탄족인 이아페토스와 바다의 요정인 클리메네(혹은 아시아) 사이 탄생하였다. 프로메테우스는 본디 티탄 신들의 심부름꾼 역할을 맡았다고 한다.
프로메테우스가 고대 그리스 신화에서 비중을 차지하는 부분은 그와 제우스 사이 벌어진 권력 다툼이다. 아래에서 볼 권력 다툼은 고대 그리스의 문학과 철학에서 즐겨 다루는 소재다.
프로메테우스 프로메테우스의 신화
헤시오도스의 《신통기》에 따르면, 인간이 신에게 바칠 제물을 두고서 신과 협정을 맺을 때, 소의 뼈를 가지런히 정렬하여 이를 윤기가 흐르는 비계로 감싸고, 살코기와 내장을 가죽으로 감싸 제우스 신에게 무엇을 가져갈 것인지 선택하게 하였다고 한다. 프로메테우스의 계락을 간파한 제우스는 분노하여 인류에게서 불을 빼앗았다.
하지만 프로메테우스는 제우스를 속이고 꺼지지 않는 불을 회양목 안에 넣어 인간에게 몰래 주었다. 분노한 제우스는 인간을 벌하기 위해 최초의 여자인 판도라를 만들어 그의 동생인 에피메테우스(행동한 뒤 생각하는 사람이라는 뜻)에게 보내고, 프로메테우스의 만류에도, 에피메테우스가 그녀를 아내로 맞이하게 된다. 이 일로 말미암아 "판도라의 상자" 사건이 발생하여 인류에게 재앙이 찾아오게 된다.
또 그는 예언하는 능력을 갖추었는데, 제우스가 자신의 미래를 묻자 알려주길 거부하였고, 이 때문에 제우스의 분노를 사 코카서스 산 바위에 쇠사슬로 묶여 독수리에게 간을 쪼아먹히게 되었다. 후일 헤라클레스가 독수리를 죽이고 그를 구해 주었다. 헤라클레스가 12과업을 할 때 아틀라스의 꾐에 빠지지 않도록 도와준 게 프로메테우스라고도 한다.
결박된 프로메테우스
《결박된 프로메테우스》는 프로메테우스 신에 관한 고대 그리스 작가 아이스킬로스의 비극 작품이다. 그리스 비극은 3부작으로 공연되기 때문에, 이야기 줄거리상 첫편에 해당한다. “풀려난 프로메테우스”, “불을 옮기는 프로메테우스”의 2편이 이어질 것을 추정할 수 있다. 그러나 이들 2편은 사라져 버렸으며, 현대까지 전해지지 않는다. 이 작품은 아이킬로스 사후에 다른 작가가 완성했거나 썼다고 추정하는 이들도 있다. 상연 연대도 불분명하며, 기원전 478년 이전에 상연되었다는 설과 만년의 기원전 460년설이 있다.
결박된 프로메테우스 이야기의 시작
신화에서 프로메테우스는 흙 속에 인류의 씨가 숨어 있다는 것을 알고 흙을 강물에 반죽해 인간을 창조한 인물이다. 또한 그는 제우스가 감추어 둔 불을 훔쳐 인간들에게 가져다준 장본인이다. 그러므로 그는 인간이 불을 통해 원시 세계에서 문명 세계로 이행하는 데 결정적인 역할을 한 인물이다.
결박된 프로메테우스 이야기의 시작
제우스는 인간들이 문명에 이르는 데 없어서는 안 될 불을 숨겨 버렸다. 그러나 프로메테우스는 올리브 가지를 꺾어 태양 마차에 가까이 다가가 이글거리는 불길에 나뭇가지를 내밀어 불을 붙였고, 땅에 내려와 이 불씨를 인간들에게 전해 주었다. 제우스는 화가 났지만 불을 도로 빼앗아 올 수는 없었기에, 자신의 명을 거역하고 인간에게 불을 가져다준 프로메테우스를 처벌했다. 그는 헤파이스토스와 시종들에게 프로메테우스를 스키타이의 황량한 벌판으로 끌고 가서 깎아지른 절벽의 바위에 쇠사슬로 묶어 놓으라고 명하고, 매일 독수리 한 마리를 보내 프로메테우스의 간을 쪼아 먹게 했다. 헤파이스토스는 아버지 제우스의 명령을 마지못해 집행했다. 프로메테우스는 자기와는 동족이자 같은 항렬에 속하는 신의 후예요 자신의 증조부인 우라노스의 자손이었기 때문이다. 이 지점에서 아이스킬로스의 ＜사슬에 묶인 프로메테우스＞가 시작된다.
결박된 프로메테우스 독재와 자유의 영원한 대립
이 작품의 선행 신화에 드러나고 있듯이, 프로메테우스는 인류의 창조자이며, 인간들이 불을 통해 문명의 시대를 열게 했던 장본인이다. 또한 그는 인간을 사랑하는 마음 때문에 제우스의 명을 거역하고 독재에 항거했던 인물이다. 그리하여 그는 수많은 예술 작품에서 불굴의 의지로 기존의 권력과 독재에 항거하면서 자유를 수호하고 인류의 존엄성을 부각시키는 인물로 형상화되고 있다. 프로메테우스는 불굴의 의지와 용기의 표상이다.
결박된 프로메테우스 독재와 자유의 영원한 대립
반면, 모든 권력을 한 손에 쥐고 휘두르는 막강한 독재자로 군림하는 제우스에게는 합의에 기반을 둔 정당한 법조차도 무용지물이다. 제우스는 모든 것을 마음대로 하는 독재자다. 정의와 불의는 그의 뜻에 따르는가, 아닌가에 의해 결정되는 것이지 행위의 정당성과 부당성에 따라 결정되는 것이 아니다. 제우스에게는 자신에게 복종하는 것과 인간을 벌하는 것이 정의다. 그러나 프로메테우스에게는 인간을 사랑하는 것이 정의다. 이 작품은 권력을 휘두르는 제우스를 영웅으로 제시하는 것이 아니라, 권력에 대항해 고통을 자초한 프로메테우스를 영웅으로 제시한다. 즉 고통을 당하게 되리라는 것을 알면서도 기존의 권력에 대항하고 약자인 인간의 편을 드는 인물을 주인공으로 제시하고 있는 것이다.
신화에서 이 둘은 헤라클레스의 출현을 통해 마침내 화해하는 것으로 처리되고 있다. 그러나 이 둘의 화해는 피상적이며, 마지못해 하는 것이다. 진정한 화해가 이루어지지 않았다는 말이다. 제우스에게 구현된 독재와 프로메테우스로 대변되는 자유는 영원히 대립하는 성질의 것이다. ＜사슬에 묶인 프로메테우스＞는 독재와 자유의 영원한 대립을 그리고 있다.
원자 질량
원자 질량(原子質量, atomic mass ma)은 원자의 질량이다. 단위는 결합이 없는 안정한 상태의 탄소-12 원자 질량의 1/12을 1u로 정의한 원자 질량 단위(原子質量單位, 기호: u, Da)를 사용한다. 원자들의 대부분의 질량은 원자핵의 양성자와 중성자가 차지하고 그 값은 질량수에 근접한다.
원자 질량을 원자질량단위로 나누어 순수한 수 비율을 만들 때, 원자의 원자 질량은 상대 동위 원소 질량이라고 불리는 무차원수(無次元數)가 된다. 이와 같이 탄소-12 원자의 원자 질량은 12 u 또는 12 Da 이고 탄소-12 원자의 상대 동위 원소 질량은 단순히 12로만 표현한다.
원자 질량
원자 질량 또는 상대 동위원소 질량은 단일 입자의 질량이며 근본적으로 원자량(原子量), 표준 원자량(기호: Ar)와는 다르다. 둘 다 원소 표본에 대한 자연 상태 원자의 수학적 평균치이며 1 u 로 나누었기 때문에 무차원 수이다. 대부분의 원소들은 하나 이상의 안정된 핵종(核種)을 가진다. 원소들의 각 핵종들이 다른 질량을 가지기 때문에 이 원소들에 대한 평균치는 원소에 존재하는 서로 다른 핵종들의 혼합비에 의존한다. 샘플의 공급원에 따라 이 값은 어느 정도 제한(표준 원자량이라고 하는 값을 설정)된다. 대조적으로 원자 질량은 각각의 입자 종과 관계가 있다. 같은 종류의 원자들은 동일하기 때문에 원자 질량 수치는 변화가 전혀 없을 것이다. 그러므로 원자 질량 수치는 보통 원자량보다 더 많은 유효숫자(有效數字)를 포함한다. 표준 원자량은 각 원소의 동위 원소들의 존재비에 대한 원자 질량과 관계가 있고, 대개 존재비가 가장 큰 동위 원소의 원자 질량과 거의 같은 값이다.
원자, 이온 또는 원자핵의 원자 질량은 결합 에너지 손실에 의해 그들의 구성요소인 양성자, 중성자 그리고 전자들의 질량합보다 약간 작다.
원자 질량 상대 동위 원소 질량
상대 동위 원소 질량은 탄소-12 원자의 질량을 12로 설정하였을 때 주어진 동위 원소의 질량에 대한 상대치이다.
상대 동위 원소 질량은 원자 질량이 원자 질량 단위으로 표기될 때 같은 수치를 가진다는 점에서 유사하다. 두 개념의 유일한 차이점은 상대 동위원소 질량은 단위가 없는 순수한 숫자라는 것이다. 이러한 단위의 상실은 탄소-12 원자를 표준으로 하여 그 비율을 나타내었기 때문이다. 그리고 "상대 동위원소 질량"에서 "상대"의 단어는 위의  원자에 대한 상대 척도를 나타낸다.
예를 들어,  원자의 상대 동위 원소 질량 은 정확히 12이다. 이와 비교하여,  원자의  원자 질량은 정확히 12 Da 또는 12 u이며  원자의  원자 질량은 1.66 x 10−27 kg 과 같이 다른 단위로도 표현할 수 있다.
원자 이외의 핵종은 자연수 값의 상대 동위 원소 질량을 갖지 않는다. u 또는 Da 로 표현된 핵종도 마찬가지로  원자 이외에는 자연수 값을 갖지는 않지만 항상 자연수에 가깝다.
원자 질량 유사 용어 및 부연 설명
원자 질량과 상대 동위 원소 질량은 혼동하기 쉽다. 또한 올바르게 사용되지 않을 때가 종종 있다. 상대 원자 질량의 동의어인 표준 원자량, 표준화 된 원자량이라는 의미에서 특별한 종류의 원자량)과 같이 혼동할 수 있다. 그러나 앞서 언급했듯이, 원자량과 표준 원자량은 단일 핵종 원소가 아닌 원소 샘플의 동위 원소 존재도에 대한 평균치인 것이다. 그런 식으로, 원자량과 표준 원자량은 대개 원자 질량 이나 상대 동위 원소 질량과는 수치적으로 다르며 이 값들이 통일된 원자 질량 단위로 표현되지 않았을 때 원자 질량과는 다른 단위를 가질 수 있다.
원자 질량 유사 용어 및 부연 설명
원자 질량은 한번에 하나의 동위원소 또는 핵종의 원자의 질량으로 정의되며 존재도에 대한 가중 평균치가 아니다. 그러므로 화학 원소의 동위 원소나 핵종의 원자 질량 또는 상대 동위 원소 질량은 매우 정밀하게 측정할 수 있는 숫자이다. 그러한 핵종의 모든 시료들은 다른 시료들과 정확하게 동일할 것으로 예상되고 같은 에너지 준위의 모든 원자들의 핵종에 대한 모든 시료들 또한 다른 시료들과 정확히 동일할 것으로 예상되기 때문이다. 예를 들어, 산소-16의 모든 원자들은 다른 모든 의 원자들과 정확히 동일한 원자 질량을 가질 것으로 예상된다.
단일 핵종 원소이거나 하나의 주요 동위 원소를 갖는 많은 원소의 경우, 가장 일반적인 동위 원소의 원자 질량과 (표준) 상대 원자 질량 또는 (표준) 원자량 간의 실제 수치 유사성 또는 그 차이는 작거나 심지어는 없으며 대부분은 계산에 영향을 미치지 않는다. 그러나 이러한 오류는 단일 핵종으로 고려하지 않을 때 존재할 수 있으며 중요할 수도 있다.
원자 질량 유사 용어 및 부연 설명
하나 이상의 동위 원소를 갖는 비(非) 단일 핵종 원소들의 경우에는 상대 동위 원소 질량으로부터 상대 원자 질량(원자량) 간의 수치적 차이는 질량 단위의 절반 이상일 수 있다(예컨대, 염소 (원소)의 경우에는 원자량과 표준 원자량은 거의 35.45 이다). 드물게 동위 원소의 원자 질량은 상대 원자 질량, 원자량 또는 표준 원자량과 조금 다를 수 있다.
통일된 원자 질량 단위로 표현된 원자 질량(즉, 상대 동위 원소 질량)은  원자를 제외하곤 항상 2가지 이유 때문에 그 값이 자연수에 근접해있다.
원자 질량에 대한 질량수(핵자수)의 비율은 1H는 1.00782505, 56Fe는 0.99884로 다양하다.
핵자간 결합 에너지로 인한 질량 결함은 실험적으로, 동등한 수의 자유 핵자들의 질량 합 보다 작은 비율(1% 미만)이다.  원자는 핵자당 평균 질량을 비교해보면 이는 다른 원자들에 비해 상당히 강하게 결합되어있다. 대부분의 원자들의 결합에 대한 질량의 결함은 매우 작은 부분이다. 자유로운 양성자들과 중성자들은 매우 작은 질량 차이가 있다(대략 0.00014 u). 원자 질량 단위로 주어진 상대 동위 원소 질량이나 원자 질량을 가장 가까운 자연수로 반올림하면 항상 핵자 수 또는 질량수가 산출된다. 덧붙여, 중성자의 수는 질량수(핵자 수)에서 양성자 수(원자 번호)를 차감하여 도출 할 수 있다.
원자 질량 원자 질량 결함과 결합 에너지 곡선
개의 양성자와  개의 중성자로 원소 를 만든다면 결손된 질량은 다음과 같다.
이 값은 모든 핵에 대하여 항상 양의 값이다. 또한 핵의 질량은 양성자와 중성자를 합한 것보다 작다는 것이다. 결손된 질량에 빛의 상수를 제곱한 값을 곱하여 에너지 단위(E=mc2)를 산출해낸다면, Δc2 가 되고 이것이 핵의 결합 에너지이다. 결합 에너지를 핵자의 수에 대하여 정규화한다면, 아래의 식으로 표현할 수 있다.
핵자의 수에 대한 결합 에너지의 곡선은 작은 원자 질량에서는 가파르게 상승한다. 40 이상의 질량수를 가지는 핵은 9 MeV 조금 아래까지 완만하게 상승하다가 56Fe 원소에서부터 점차 감소함을 알 수 있다. 결합 에너지 생성에 대해서는 두가지 부류가 있다. 두 개의 가벼운 핵이 결합되어 결합 에너지 곡선에서 더 높은 결합 에너지를 가지는 무거운 핵을 만드는 핵융합 반응과 하나의 무거운 핵으로부터 각 핵당 높은 결합 에너지를 가지는 두 개의 가벼운 핵을 만드는 핵분열 반응이다.
원자 질량 원자 질량 결함과 결합 에너지 곡선
질량수에 대한 원자 질량(단위: Da)의 비율은 탄소-12의 경우 1 로 정의되고, 그 이후로 최저치인 56Fe까지 감소한다(58Fe 과 62Ni 만 조금 더 큰 값을 가진다.). 그 후, 무거운 동위 원소들은 원자 번호가 증가함과 동시에 그 값 또한 증가한다. 이 결과로부터, 지르코늄보다 무거운 원소의 핵분열은 에너지를 만들어 내고, 나이오븀보다 가벼운 원소들은 에너지를 필요로 한다. 다른 한편으로는 스칸듐보다 가벼운 원소 2 개의 핵융합(헬륨은 제외)은 에너지를 만들어 내고, 칼슘보다 무거운 원소들은 에너지를 필요로 한다.
원자 질량 원자 질량의 측정 방법
원자들의 질량에 대한 비교와 측정은 질량 분석법(Mass spectrometry, MS)을 통해 이루어진다.
원자 질량 원자 질량 단위와 그램 사이의 환산인자
거시적 수량에서 물질의 양을 정량화하는데 사용되는 국제단위계(SI)는 몰(mole, 단위 mol)이며  12 g에 함유되는 원자의 수로 정의한다. 1 몰에 해당하는 입자의 수를 아보가드로 수(Avogadro's number)라고 부르며, 대략 6.0221415×1023이다.
1 몰의 물질은 항상 그 물질의 몰 질량 또는 원자량을 거의 정확하게 포함한다. 그러나 자연 발생 원소인가에 따라서 원자 질량은 그렇지 않을 수 있다. 예를 들어, 철의 원자량은 55.847 g/mol 이고, 지구상에서 흔히 발견되는 철 1 몰은 55.847 그램의 질량을 가지고 있다. 56Fe 동위 원소의 원자 질량은 55.935 u 이고 1 몰의 56Fe 원자들은 이론상 55.935 g의 질량을 가지나, 순수한 56Fe의 이러한 수치들은 지구상에서는 찾을 수가 없다. 그러나, 지구상에서 찾을 수 있는 오직 하나만의 동위 원소를 가지는 22가지의 단일 핵종 원소(일반적으로, 베릴륨, 플루오린, 나트륨과 알루미늄)들과 이 원소들의 원자량과 원자 질량은 같다. 따라서 이러한 원소들은 원자 질량 값의 표준 기준으로 사용할 수 있다.
원자 질량 원자 질량 단위와 그램 사이의 환산인자
단일 원자에 대하여 원자 질량 단위와 국제단위계 사이의 환산식은 다음과 같다.
는 몰 질량 상수, 는 아보가드로 수이다.
분자
분자(分子, 영어: molecule)는 한 개 또는 두 개 이상의 비금속 원자가 화학 결합에 의해 전기적으로 전하를 띠거나 중성을 띠는 원자 그룹으로, 물질의 고유한 성질을 가지는 가장 작은 단위 입자로서 정의된다. 비활성 기체처럼 원자 하나로 이루어진 원자 그룹을 의미하기도 한다.
분자라는 개념을 처음 제안한 것은 아보가드로로서 그의 분자설은 아보가드로의 법칙으로 나타난다.
분자 분자 크기
대부분의 분자는 너무나도 작아서 사람의 육안으로 보이지 않는다. 가장 크기가 작은 분자는 이원자 분자인 수소(H2)로 원자간의 결합 간격은 0.74 옹스트롬이다. 일반적으로 유기 합성을 위하여 쓰이는 분자의 크기는 몇 안 되는 Å부터 수십 Å에 이른다. 단일 분자는 위에서 언급한 바와 같이 빛으로 관찰할 수 없으나 소분자와 각 원자의 윤곽은 원자간력 현미경을 이용하여 일부 환경에서 추적해 낼 수 있다.
분자라는 용어는 대개 기체상태로 존재하는 작은 규모의 공유 결합 그룹에서만 적용되는데, 이는 질소(N2), 산소(O2), 염소(Cl2)의 경우처럼 홑원소로 존재할 수도 있고, 물 분자(H2O)처럼 서로 다른 원소끼리 결합하여 분자를 이룰 수도 있다. 단백질이나 DNA처럼 분자의 크기가 매우 큰 것은 고분자로 분류되며, 다이아몬드의 경우처럼 탄소 원자간의 공유 결합이 끊임없이 이어져 통째로 하나의 분자로 존재하는 경우도 있다. 수소 결합(얼음 등)이나 이온 결합(염화 나트륨, 염화 칼슘 등)과 같은 비공유결합에 의해 결합된 경우 분자라고 부르지 않고 화학식 단위(formula unit)라고 칭한다.
분자 분자 크기
흔히 생화학에서는 대부분의 생체 분자들이 유기 화합물에 속한다.
지각, 맨틀, 그리고 지구의 핵을 구성하는 친숙한 고체 물질들의 대다수는 많은 화학 결합들을 포함하지만, 그의 대다수가 연속적인 결정구조를 가지고 있지 않다. 비록 이것들이 종종 평면적인 분자(그래핀 등)나 입체적인 분자(다이아몬드, 석영, 염화나트륨 등)의 형태로 일시적으로 반복되는 결정구조를 포함하고 있더라도 말이다. 이것은 반복되는 결합 구조를 가지는 고체 금속이라도 그것이 분자로 이루어져 있지는 않다는 것을 의미한다. 또한 유리(혹은 유리와 같은 비결정질의 고체)에서는 원자들이 특정한 배열구조를 가지지 않고 무작위로 결합하고 있다.
분자 역사와 어원
메리엄 웹스터와 Online Etymology Dictionary에 따르면 “분자”라는 단어는 라틴어 “몰” 또는 덩어리의 작은 단위로부터 유래된다.
프랑스어의 molécule(미립자,원자)라는 단어에서 유래된 말을 18세기 후반까지 오직 라틴어 형식으로 사용하여 molecula(질량, 장애물)로 불렀으며, 처음에는 모호한 의미였지만 단어의 유행은 르네 데카르트의 철학으로 거슬러 올라간다. 분자의 정의는 분자의 구조에 대한 지식이 쌓이는 만큼 발전해왔다. 분자에 대한 부족한 지식은 분자를 그들의 구성과 화학적 성질들을 유지하는 순수한 화학 물질의 가장 작은 입자라는 다소 정확성이 떨어지는 정의를 내렸다. 예를 들어 바위, 소금, 금속 같은 평범한 경험에서의 물질들이 화학적으로 결합한 원자나 이온의 큰 결정계로 구성되어 있으나 분자들로 이루어져있지는 않다는 것이 밝혀진 이후로 초기 분자의 정의에 대한 신뢰도가 떨어졌다.
분자 결합하는 방법
분자들은 공유 결합에 의해 결합되어 있다. 비금속 원소의 몇몇 종류만이 보통의 조건에서 분자 상태로 존재한다. 예를 들어 수소(H)는 주변에 반응물이 없는 상태에서 항상 수소 분자(H2)로만 존재한다. 화합물의 분자는 두 종류 이상의 원소들로 구성되어있다. 결합의 종류마다 결합의 세기나 유연성 등이 다르다. 예를 들면 이온 결합에 비해 공유 결합은 강력한 결합을 보여준다. 이 다양한 결합으로 다양한 물질들이 생기는 것이다.
공유 결합은 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.
분자 화학식의 종류
분자의 화학식은 각 원자의 원소기호, 원소나 원자의 수(이것처럼 아래첨자로 표기), 분자가 전하를 띌 경우 위첨자로(필요할 경우는 전하의 숫자도 함께 붙여서) +와 -같은 기호들을 표기한다.
실험식은 화학식의 가장 간단한 종류로, 화합물을 구성하는 원소들의 정수비를 최소로 줄인 것이다. 예를 들어, 물은 항상 수소 원자와 산소 원자가 2:1의 비율로 구성되어있으며, 분자 하나의 화학식을 H2O로 쓸 수 있다. 그리고 에탄올은 항상 탄소, 수소, 산소가 2:6:1의 비율로 구성되어있으며, 분자 하나의 화학식은 C2H6O로 쓸 수 있다. 그러나 이것은 분자의 종류를 확실하게 결정하지는 않는다. 예를 들어 디메틸에테르 또한 화학식이 C2H6O로, 에탄올과 같은 정수비를 가지고 있다. 이처럼 화학식은 같으나 배열 구조가 다른 분자들을 이성질체라 부른다. 또한 아세트산과 모든 단당류는 화학식이 Cn(H2O)m으로 분자 내에서 탄소, 수소, 산소가 항상 1:2:1의 고정된 비율로 구성되어있어 실험식이 모두 CH2O로 동일하나 단당류를 구성하는 총 원자의 수는 각자 다르다.
분자 화학식의 종류
분자식은 분자를 구성하는 원자들의 정확한 수를 반영한다. 이성질체들은 다른 분자들이지만 같은 원자 구성비를 가질 수도 있으며, 실험식은 종종 분자식과 같지만 항상 그런 것은 아니다. 예를 들어 아세틸렌은 분자식C2H2를 갖지만 가장 간단한 원소의 정수비는 CH이며, 위에서 말햇듯이 아세트산(C2H4O2)과 단당류의 실험식은 모두 CH2O로 포름알데히드와도 같다(여기서 아세트산과 포름알데히드는 단당류로서의 성질을 갖지 않는다).
분자량은 종종 화학식으로부터 계산할 수 있고, 탄소-12의 원자량의 1/12과 동일하게 편리한 원자량 단위로 표기된다. 고체 결합에서, 화학식 단위라는 용어는 화학량적인 계산에서 사용된다.
구조식은 3차원적인 모양의 복잡한 구조를 갖는 분자들, 특히 네 개 이상의 다른 치환기와 결합한 원자들은 간단한 분자식에서는 그 분자의 구조를 정확하게 표현할 수 없다. 구조식은 결국 1차원의 화학식으로 설명되지만 그러한 화합물 명명법은 많은 단어들과 화학식의 부분이 아닌 용어들을 필요로 한다. 예를 들어 이산화탄소(CO2)는 O=C=O로, 사이안화수소(HCN)는 HC≡N과 같이 표기한다.
분자 화학식의 종류
시성식은 분자의 특징적인 구조를 적절한 위치에 따로 표기하는 화학식으로, 분자의 특성을 확실히 알 수 있도록 작용기나 치환기 등을 강조하여 나타낸 식이다. 예를 들어 아세트산(C2H4O2)의 시성식은 산으로서의 작용기인 카복시기(-COOH)를 따로 표기하여 H3CCOOH와 같이 나타낸다.
분자 분자 과학
초점이 화학에 있느냐 물리학에 있느냐에 따라 분자의 과학은 분자 화학 또는 분자 물리학이라 불린다. 분자 화학은 이온 결합을 형성하고 분해시키는 분자 사이의 상호작용을 지배하는 법칙들을 다루는 반면에 분자 물리학은 그들의 구조와 속성을 지배하는 법칙들을 다룬다. 그러나 사실 이 구분은 모호하다. 분자 과학에서, 분자는 두 개 이상의 원자로 구성된 안정된 상태로 구성되어 있다. 다원자성 이온들은 가끔 전기 전하를 띤 분자로서 유용하게 생각될 때가 있을지도 모른다. 불안정한 분자라는 용어는 매우 반응적인 종류에서 사용된다. 즉, 전자들과 자유 라디칼, 분자 이온, 리드베르크 분자, 전이 상태, 반데르발스 힘 또는 보스-아인슈타인 응축에서와 같은 충돌하는 원자들의 시스템인 핵들의 오래가지 못하는 집회(공명)이다.
분자 분자 과학
분자들은 진동하고 회전하는 운동을 통해 계속적으로 진동하는 것에 대해서 결합길이와 결합각에 고정된 평형 기하학적 구조를 가지고 있다. 하나의 순수한 물질은 같은 평균 기하학적 구조의 분자들로 구성되어 있다. 분자의 화학식과 구조는 그 특성, 특히 반응성을 결정하는 두 중요한 요인들이다. 이성질체들은 하나의 화학식을 공유하지만 그들의 다른 구조 때문에 보통 매우 다른 특성을 가지고 있다. 이성질체의 특정한 종류인 입체 이성질체는 매우 비슷한 이화학의 특성과 동시에 다른 생화학적 활동들을 가지고 있을지도 모른다.
분자 분자 과학
분광 화학은 에너지(혹은 진동수)라고 알려진 면밀한 신호와 상호작용하는 분자들의 반응을 다룬다. 분자들은 에너지를 흡수하거나 방출하는 행위를 통하여 분자의 에너지 교환을 감지함으로써 분석될 수 있는 정량화된 에너지 준위를 가지고 있다. 분광 화학은 일반적으로 중성자나 전자 또는 고에너지의 엑스선과 같은 미립자들이 보통의 분자배열(결정에서처럼)로 상호작용하는 회절연구에 나타나있지 않다. 마이크로파 분광학은 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 자외선의 볼 수 있는 근적외선 빛에서 흡수선 또는 방출선을 만들고 색을 방출한다. 핵 공명 분광법은 실제로 분자에서 특정한 핵들의 환경을 측정하고 분자에서 다른 위치에 있는 원자들의 수를 특징짓기 위해서 사용될 수 있다.
분자 분자 과학
분자물리와 이론 화학에 의한 분자 연구는 크게 양자역학을 기반으로 하고 화학 결합을 이해하는데 필수적이다. 분자들 중 가장 간단한 것은 수소 분자 이온 H2+이고 모든 화학 결합들 중 가장 간단 한 것은 일전자 결합이다. 수소 분자 이온(H2+)은 양전하를 가지는 두 개의 양성자와 음전하를 가지는 전자로 구성되어있다. 이것은 계에서 슈레딩거 방정식이 전자와 전자의 반발의 부족 때문에 더 쉽게 해결될 수 있다는 것을 의미한다. 빠른 디지털 컴퓨터의 발달으로 더 복잡한 분자들을 위한 거의 정확한 해결책이 가능해졌고 컴퓨터 화학의 주요 양상들 중 하나이다. 원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정적이던지 아니던지 엄격히 정의하려고 할 때, IUPAC은 이것이 “적어도 하나의 진동상태를 제한하기에 충분히 깊은 퍼텐셜 에너지 표면에 있는 저기압에 일치해야만 한다.”고 제안한다. 이 정의는 분자 사이의 상호작용의 본질에 따르지 않고 오직 상호작용의 세기에 따른다. 사실, 이것은 전통적으로 He2와 같은 분자로서는 정의되지 않는 약한 결합 종들을 포함한다. 이것은 하나의 진동하는 속박상태를 가지고 있으며 매우 헐겹게 묶여 있어서 매우 낮은 기온에도 관찰될 수 있다. 원자들의 배열이 분자로 고려되기에 충분히 안정한지 안정하지 않은지는 본질적으로 사용가능한 정의이다. 그러므로 철학적으로, 분자는 기본적인 독립체가 아니다(예를 들어 반대로 소립자에 대해) 오히려, 분자의 개념은 우리가 관찰하는 세상에서 원자 크기의 상호작용의 세기에 대한 유용한 상태를 만드는 화학자의 방법이다.
질량 보존 법칙
질량 보존 법칙(質量保存法則, law of conservation of mass)은 닫힌 계의 질량이 화학 반응에 의한 상태 변화에 상관없이 변하지 않고 계속 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다. 다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, '(반응물의 질량) = (결과물의 질량)'이라는 수식을 만족한다. 질량 보존 법칙은 비상대론적인 법칙이며, 상대성이론을 고려할 경우 상황은 조금 복잡해진다. 상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.
이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다. 그러나 이전에도 미하일 로모노소프(Mikhail Lomonosov) 등이 언급한 바가 있다.
하지만 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 질량이 에너지로도 변환될 수 있다.
질량 보존 법칙 질량/물질 보존의 예외
물질 보존의 법칙은 특수 상대성 이론이나 양자역학을 고려하지 않은 고전적 이론에서만 참인 근사적인 물리 법칙으로 생각될 수 있다. 그것은 특정 높은 에너지 활용을 제외하고는 거의 참이다. 보존의 개념에 특정한 어려움은, ‘물질’이 과학적으로 잘 정의된 단어가 아니라는 점이다. 그리고 물질들이 ‘물질’이라고 생각될 때, (예를 들어 전자나 양전자) 등은 광자를 생성하기 위해 없어진다. (광자는 종종 물질로 생각되지 않는다) 그러면 물질의 보존은 고립계에서도 참이 되지 않는다. 그러나, 물질 보존은 방사능과 핵반응이 포함되지 않는 화학 반응에서 안전하게 추정될 수 있다. 물질이 보존되지 않더라도, 계 안에서의 질량과 에너지의 총 합은 보존된다.
질량 보존 법칙 질량/물질 보존의 예외
또한 질량은 열린계에서 일반적으로 보존되지 않는다. 계 내부나 외부로 다양한 형태의 에너지들이 투입될 수 있거나 나갈 수 있는 경우가 그런 예다. 그러나, 다시 말하지만 방사능과 핵반응이 포함되지 않는다면, 계에서 도망가는 열, 일, 전자기적 방사선은 계의 질량의 감소로 측정하기에는 사실 너무 작다. 고립계에서의 질량 보존 법칙 (질량과 에너지가 전부 닫힌계) 은 어떤 관성계에서 봐도 계속 현대 물리학에서 참으로 여겨진다. 이것의 이유는, 상대성 방정식이 심지어 ‘질량이 없는’ 입자들, 예를 들어 광자들이 고립계에 질량과 에너지를 더한다고 보이기 때문이다. 질량 (물질이 아니지만)이 에너지가 도망가지 않는 계의 과정에서 엄격하게 보존되도록 허락한다. 상대성 이론에서는, 다른 관찰자들이 주어진 계에서의 보존된 특정 값에 동의하지 않을 수 있다. 그러나 각각의 관찰자들은 이 값이 시간에 따라 변하지 않는다는 것에 동의할 것이다. (계가 모든 것에 대해 고립되어 있다면)
일반 상대성 이론에서는, 팽창하는 부피의 우주에서 광자의 변치 않는 총 질량은 적색 이동 때문에 감소할 것이라고 한다. 그래서 질량과 에너지의 보존은 이론에서 에너지로 만들어진 다양한 수정들에 의존한다. 그러한 계들의 변하는 중력 퍼텐셜 에너지 때문이다.
원자론
원자론(原子論, Atomic theory)은 물질이 원자라고 불리는 입자들로 구성되어 있다는 과학 이론이다. "원자"라는 단어의 정의는 과학적 발견에 따라 수년간 변화했다. 처음에는 육안으로는 너무 작아서 볼 수 없으며 나눌 수 없는 어떤 근본적인 물질 입자가 있다는 가설적 개념을 지칭했다. 그 후 화학계가 원소는 작은 정수 비율로 서로 결합하는 것을 관찰했을 때, 원자는 원소의 기본 입자로 정의가 정교해졌다. 그러다 물리학자들이 이 입자가 안에 다른 입자가 모여 있는 내부 구조를 가지고 있으며 따라서 "원자"라고 불릴 자격이 없을지도 모른다는 것을 발견했지만, 그 시점에서 원자의 이름을 바꾸는 것은 비현실적이라 '원자'라는 이름이 굳어졌다.
원자론은 역사상 가장 중요한 과학적 발전 중 하나이며, 모든 물리학에 필수적이다. 파인만의 물리학 강의를 시작하면서 물리학자이자 노벨상 수상자인 리처드 파인만은 원자 가설을 가장 다작적인 과학적 개념으로 제시한다.
원자론 철학적 원자론
물질이 미세하고 나눌 수 없는 입자들로 이루어져 있다는 기본 개념은 많은 고대 문화에서 나타난 오래된 생각이다. 원자(atom)라는 단어는 고대 그리스어의 '아토모스'(atomos)에서 유래했는데, 이는 부정 접두사 "a-"와 "자르다"는 의미의 "τομή"(토메)의 조합으로 "자를 수 없는"을 의미한다. 이 고대의 아이디어는 과학적 추론보다는 철학적 추론에 기반을 두었다. 현대 원자론은 이러한 오래된 개념에 기반을 두지 않는다. 19세기 초, 과학자 존 돌턴은 화학 물질이 특정한 무게를 가진 불연속적이고 일관된 단위로 서로 결합하는 것처럼 보인다는 것을 알아차렸고, 이러한 '기본' 단위를 지칭하기 위해 원자라는 단어를 사용하기로 결정했다.
원자론 기반
17세기 후반에 활동한 로버트 보일은 화합물과 다른 물질인 화학 원소의 개념을 발전시켰다.:293 18세기 말, 원자론의 개념을 언급하지 않고도 화학 분야에서 몇 가지 중요한 발전이 이루어졌다. 첫째는 앙투안 라부아지에로 화합물이 일정한 비율의 원소들로 구성되어 있음을 보여주었으며, 원소를 과학계가 실험을 통해 더 간단한 물질로 분해할 수 없는 물질로 재정의했다. 이는 실험적 지지가 없었던 불, 흙, 공기, 물이 물질의 원소라는 고대 사상을 막내리게 만들었다. 라부아지에는 물이 수소와 산소로 분해될 수 있음을 보여주었고 이를 더 이상 간단한 무언가로 분해할 수 없다는 것을 입증함으로써 이들이 원소임을 증명했다. 또한 라부아지에는 질량 보존의 법칙을 정의했는데, 이는 화학 반응에서 물질이 갑자기 나타나거나 사라지지 않으며 관련된 물질이 변형되더라도 총 질량은 동일하게 유지된다는 것이다.:293 마지막으로 1797년 프랑스 화학자 조제프 루이 프루스트가 확립한 일정 성분비 법칙이 있었는데, 이는 화합물이 구성 원소로 분해될 경우 원래 화합물의 양이나 출처에 관계없이 그 구성 성분의 질량 비율은 항상 동일하다는 것이다. 이 정의는 화합물과 혼합물을 구분했다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
존 돌턴은 자신과 다른 과학자들이 수집한 데이터를 연구했다. 돌턴은 나중에 배수 비례의 법칙으로 알려지게 된 패턴을 발견했다. 즉, 두 가지 특정 원소를 포함하는 화합물에서 원소 B의 양에 대한 원소 A의 양은 이러한 화합물 사이에서 작은 정수비로 달라진다는 것이다. 이는 각 원소가 다른 원소와 기본적인 양의 배수로 결합한다는 것을 시사했다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
1804년, 돌턴은 그의 원자론을 친구이자 동료 화학자인 토머스 톰슨에게 설명했고, 톰슨은 1807년 그의 저서 《화학 체계》(A System of Chemistry)에 화학 원자론에 대한 최초의 완전한 설명을 출판했다.:81 톰슨에 따르면 돌턴의 아이디어는 "올레피안트 가스" (에틸렌)와 "탄화수소 가스" (메테인)를 실험할 때 처음 떠올랐다고 한다. 돌턴은 "탄화수소 가스"가 "올레피안트 가스"보다 탄소 측정량당 수소를 두 배 더 많이 포함한다는 것을 발견했고, "올레피안트 가스" 한 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 하나로, "탄화수소 가스" 한 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 이루어져 있다고 결론 내렸다. 실제로는 에틸렌 분자는 탄소 원자 두 개와 수소 원자 네 개(C2H4)를, 메테인 분자는 탄소 원자 하나와 수소 원자 네 개(CH4)를 가지고 있다. 이 특정 경우에 돌턴은 이 화합물의 공식에 대해 틀렸지만, 다음 예에서는 맞게 설명했다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
예시 1 — 주석 산화물: 돌턴은 두 가지 유형의 산화 주석을 확인했다. 하나는 돌턴이 "주석의 원산화물"이라고 부른 회색 분말인데, 88.1%가 주석이고 11.9%가 산소이다. 다른 하나는 돌턴이 "주석의 이산화물"이라고 부른 흰색 분말인데, 78.7%가 주석이고 21.3%가 산소이다. 이 수치를 조정하면, 회색 분말에는 주석 100g당 약 13.5g의 산소가 있고, 흰색 분말에는 주석 100g당 약 27g의 산소가 있다. 13.5와 27은 1:2의 비율을 이룬다. 이 화합물들은 오늘날 산화 주석(II)(SnO)과 산화 주석(IV)(SnO2)으로 알려져 있다. 돌턴의 용어에서 "원산화물"(protoxide)은 산소 원자 하나를 포함하는 분자이며, "이산화물"(deutoxide) 분자는 두 개를 포함한다. 돌턴이 사용한 용어에 대한 현대적 명칭은 일산화물(monoxide)과 이산화물(dioxide)이다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
예시 2 — 산화 철: 돌턴은 두 가지 산화 철을 확인했다. 하나는 돌턴이 "철의 원산화물"이라고 부른 검은색 분말인데, 78.1%가 철이고 21.9%가 산소이다. 다른 산화 철은 돌턴이 "철의 중간 또는 붉은 산화물"이라고 부른 붉은색 분말인데, 70.4%가 철이고 29.6%가 산소이다. 이 수치를 조정하면, 검은색 분말에는 철 100g당 약 28g의 산소가 있고, 붉은색 분말에는 철 100g당 약 42g의 산소가 있다. 28과 42는 2:3의 비율을 이룬다. 이 화합물들은 산화 철(II)과 산화 철(III)이며, 그들의 화학식은 각각 FeO와 Fe2O3이다. 산화 철(II)의 화학식은 일반적으로 FeO로 쓰이지만, 결정성 물질이므로 Fe2O2로도 쓸 수 있으며 이를 Fe2O3와 비교할 때 2:3 비율이 명확하게 드러난다. 돌턴은 "중간 산화물"을 "원산화물 2원자와 산소 1원자"로 묘사했으며, 이는 철 원자 두 개와 산소 원자 세 개가 합쳐진 것이다. 이는 철 원자당 평균 1.5개의 산소 원자를 의미하며, "원산화물"과 "이산화물"의 중간에 위치한다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
예시 3 — 질소 산화물: 돌턴은 "아산화 질소", "질소 가스", "질산" 세 가지 질소 산화물을 알고 있었다. 이 화합물은 오늘날 각각 아산화 질소, 일산화 질소, 이산화 질소로 알려져 있다. "아산화 질소"는 질소 63.3%, 산소 36.7%로, 질소 140g당 산소 80g을 의미한다. "질소 가스"는 질소 44.05%, 산소 55.95%로, 질소 140g당 산소 160g을 의미한다. "질산"은 질소 29.5%, 산소 70.5%로, 질소 140g당 산소 320g을 의미한다. 80g, 160g, 320g은 1:2:4의 비율을 이룬다. 이 화합물들의 화학식은 N2O, NO, NO2이다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
돌턴은 원자를 화학 물질의 "궁극적인 입자"로 정의했으며, "화합 원자"라는 용어를 두 개 이상의 원소를 포함하는 "궁극적인 입자"를 지칭하는 데 사용했다. 이는 원자가 화학 원소의 기본 입자이고 분자가 원자의 집합체인 현대적 정의와 일치하지 않는다. "화합 원자"라는 용어는 "원자"라는 단어가 비분할성을 의미했기 때문에 돌턴의 일부 동시대인에게 혼란을 주었지만, 그는 이산화 탄소 "원자"가 분할되면 더 이상 이산화 탄소가 아니게 된다고 반박했다. 이산화 탄소 "원자"는 더 작은 이산화 탄소 입자로 나눌 수 없다는 의미에서 비분할적이다.
원자론 돌턴의 배수 비례 법칙
돌턴은 "원소 원자"가 "화합 원자"(오늘날 우리가 분자라고 부르는 것)를 형성하는 방식에 대해 다음과 같은 가정을 했다. 두 원소가 하나의 화합물만을 형성할 수 있을 때, 그는 각각 하나의 원자로 구성되어 있다고 가정했는데, 이를 "이원 화합물"이라고 불렀다. 두 원소가 두 가지 화합물을 형성할 수 있을 때, 첫 번째 화합물은 이원 화합물이고 두 번째는 첫 번째 원소 하나의 원자와 두 번째 원소 두 개의 원자로 구성된 "삼원 화합물"이다. 두 원소가 세 가지 화합물을 형성할 수 있을 때, 세 번째 화합물은 첫 번째 원소 하나의 원자와 두 번째 원소 세 개의 원자를 포함하는 "사원" 화합물이다. 돌턴은 물이 "이원 화합물", 즉 수소 원자 하나와 산소 원자 하나라고 생각했다. 돌턴은 산소, 질소, 수소의 궁극적인 입자가 자연 기체 상태에서 쌍으로 존재한다는 사실(O2, N2, H2)을 알지 못했다. 또한 원자가에 대해서도 알지 못했다. 원자의 이러한 특성은 19세기에 나중에 발견되었다.
원자는 19세기 방법으로는 직접 무게를 잴 수 없을 만큼 너무 작았기 때문에, 돌턴은 수많은 원자의 무게를 가장 가벼운 원소라고 알려진 수소 원자의 무게의 배수로 표현했다. 돌턴의 측정에 따르면 산소 7그램은 수소 1그램과 결합하여 물 8그램을 만들고 남는 것이 없었으며, 물 분자가 산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 이루어져 있다고 가정하여 산소의 원자량이 7이라고 결론 내렸다. 실제로는 16이다. 19세기 초 측정 도구의 조악함 외에 이 오류의 주요 원인은 돌턴이 물 분자가 사실 수소 원자 두 개를 가지고 있다는 것을 몰랐기 때문이다. 돌턴이 이를 알았다면 추정치를 더 정확한 14로 두 배 늘렸을 것이다. 이 오류는 1811년 아메데오 아보가드로가 수정했다. 아보가드로는 어떤 두 기체라도 동일한 온도와 압력에서 동일한 수의 분자를 포함한다고 제안했다(즉, 기체 입자의 질량은 기체가 차지하는 부피에 영향을 미치지 않는다). 지금은 보통 아보가드로 법칙이라고 불리는 아보가드로의 가설은 기체 원소 분자의 상대적 무게를 추론하는 방법을 제공했는데, 만약 가설이 옳다면 상대적 기체 밀도가 기체를 구성하는 입자들의 상대적 무게를 직접적으로 나타내기 때문이다. 이러한 사고방식은 직접적으로 두 번째 가설로 이어졌다. 즉 특정 원소 기체의 입자는 원자 쌍이며, 화학적으로 반응할 때 이 분자는 종종 둘로 쪼개졌다. 예를 들어, 수소 2리터가 산소 1리터와 반응하여 물 증기 2리터(일정한 압력과 온도에서)를 생성한다는 사실은 단일 산소 분자가 두 개의 물 분자를 형성하기 위해 둘로 쪼개진다는 것을 시사했다. 물의 화학식은 H2O이지 HO가 아니다. 아보가드로는 산소의 원자량을 15.074로 측정했다.
원자론 원자론에 대한 반대
돌턴의 원자론은 광범위한 관심을 끌었지만, 처음에는 모든 사람이 받아들인 것은 아니었다. 분자가 상당히 커질 수 있는 유기 물질의 경우 배수 비례의 법칙이 보편적인 법칙이 아님을 보여주었다. 예를 들어, 올레산에는 탄소 216g당 수소 34g이 있고 메테인에는 탄소 216g당 수소 72g이 있다. 34와 72는 17:36의 비율을 형성하며 이는 작은 정수비가 아니다. 우리는 이제 탄소 기반 물질이 다른 원소가 형성할 수 있는 어떤 분자보다도 훨씬 큰 분자를 가질 수 있다는 것을 알고 있다. 올레산의 화학식은 C18H34O2이고 메테인의 화학식은 CH4이다. 배수 비례의 법칙 자체로는 완전한 증명이 되지 않았고, 원자론은 19세기 말까지 보편적으로 받아들여지지 않았다.
원자론 원자론에 대한 반대
한 가지 문제는 통일된 명칭의 부족이었다. "원자"라는 단어는 더 이상 나눌 수 없다는 것을 의미했지만, 돌턴은 원자를 단지 원소나 물질 자체뿐만 아니라 모든 화학 물질의 궁극적인 입자로 정의했다. 이는 이산화 탄소와 같은 "화합 원자"가 "원소 원자"와 달리 분할될 수 있음을 의미했다. 돌턴은 "분자"라는 단어를 "축약형"으로 여겨 싫어했다. 아메데오 아보가드로는 반대로 행동했다. 자신의 저술에서 "원자"라는 단어를 피하고 "원소 분자"라는 용어를 사용하며 오직 "분자"라는 단어만 사용했다. 옌스 야코브 베르셀리우스는 세 개 이상의 원소를 포함하는 입자를 지칭하기 위해 "유기 원자"라는 용어를 사용다. 베르셀리우스는 이런 입자는 유기 화합물에서만 존재한다고 생각했기 때문이다. 장바티스트 뒤마는 "물리적 원자"와 "화학적 원자"라는 용어를 사용했다. "물리적 원자"는 온도와 압력과 같은 물리적 수단으로는 분할될 수 없는 입자였고, "화학적 원자"는 화학 반응으로는 분할될 수 없는 입자였다.
원자론 원자론에 대한 반대
원자와 분자의 현대적 정의, 즉 원소의 기본 입자가 원자이고 원자의 집합체가 분자라는 정의는 19세기 후반에 확립되었다. 중요한 사건은 1860년 독일의 카를스루에 회의였다. 화학자가 모인 첫 국제 회의로서 그 목표는 학계에서 몇 가지 표준을 확립하는 것이었다. 원자와 분자 사이의 현대적 구분의 주요 지지자는 스타니슬라오 카니차로였다.
서로 다른 분자의 구성에 관련된 특정 원소의 다양한 양은 항상 나눌 수 없는 개체로 나타나는 근본적인 양의 정수배이며, 이를 적절하게 원자라고 명명해야 한다.— 스타니슬라오 카니차로, 1860
원자론 원자론에 대한 반대
카니차로는 베르셀리우스와 같은 과거의 화학자가 특정 기체 원소의 입자는 실제로는 원자의 쌍이라는 것을 받아들이지 않아 특정 화합물 제형에 실수를 저질렀다고 비판했다. 베르셀리우스는 수소 기체와 염소 기체 입자가 단일한 원자라고 믿었다. 그러나 그는 수소 1리터가 염소 1리터와 반응할 때, 염화 수소 1리터 대신 2리터를 형성하는 것을 관찰했다. 베르셀리우스는 아보가드로의 법칙이 화합물에는 적용되지 않는다고 결정했다. 카니차로는 과학자가 단일한 원소 분자의 존재를 받아들이기만 한다면 그들의 발견한 불일치가 쉽게 해결될 것이라고 주장했다. 그러나 베르셀리우스는 그에 대해 가리키는 단어조차 없었다. 베르셀리우스는 단 하나의 원소만을 포함하는 기체 입자에 대해 "원소 원자"라는 용어를 사용했고, 두 개 이상의 원소를 포함하는 입자에 대해 "화합 원자"라는 용어를 사용했지만, 베르셀리우스는 H2의 존재를 믿지 않았기 때문에 H2와 H를 구별할 것이 없었다. 그래서 카니차로는 과학자가 수소 분자는 화학 반응 과정에서 두 개의 수소 원자로 쪼개질 수 있다는 것을 이해할 수 있도록 재정의를 요구했다.
원자론에 대한 두 번째 반론은 철학적이었다. 19세기의 과학자는 원자를 직접 관찰할 방법이 없었다. 그들은 돌턴의 배수 비례 법칙과 같은 간접적인 관찰을 통해 원자의 존재를 추론했다. 일부 과학자는 실증주의 철학에 부합하는 입장을 채택하여 과학계가 우주의 더 깊은 실재를 추론하려 시도하지 말고, 단지 직접 관찰할 수 있는 패턴만을 체계화해야 한다고 주장했다.:232
이 반(反)원자론주의자 세대는 두 진영으로 나눌 수 있다.
마르셀린 베르틀로와 같은 "등가론자"는 당량 이론이 과학적 목적에 충분하다고 믿었다. 이 프루스트의 일정 성분비 법칙의 일반화는 관찰한 결과를 요약했다. 예를 들어, 수소 1그램은 산소 8그램과 결합하여 물 9그램을 형성하므로 산소의 "당량"은 8그램이다. 에른스트 마흐와 빌헬름 오스트발트와 같은 "에너지론자"는 현실에 대한 가설에 전적으로 철학적으로 반대했다. 그들의 관점에서는 열역학의 일부인 에너지만이 물리적 모델의 기초가 되어야 한다고 생각했다.:237
이러한 입장은 19세기 후반에 일어난 두 가지 중요한 발전, 즉 주기율표의 개발과 분자가 그 속성을 결정하는 내부 구조를 가지고 있다는 발견에 따라 결국 해체되었다.