원자 번호·질량수와 동위 원소

핵심 정리

원소를 구별하는 기준은 원자핵 속 양성자 수이며, 이 수를 원자 번호라고 한다.원자 번호는 양성자 수와 같다. 원자핵에 있는 양성자 수와 중성자 수의 합이 질량수다.원자핵의 질량수는 양성자 수와 중성자 수의 합이다. 따라서 중성자 수는 질량수에서 양성자 수를 뺀 값이다.원자의 중성자 수는 질량수에서 양성자 수를 뺀 값이다.

동위 원소는 원자 번호가 같고 질량수가 다른 원자다. 같은 원소의 동위 원소는 양성자 수가 같으며 중성자 수가 다르다.동위 원소는 양성자 수가 같고 중성자 수가 다르다. 중성 원자는 양성자 수와 전자 수가 같으므로 동위 원소는 전자 배치도 같고 화학적 성질도 같다.

원자를 {}^{A}_{Z}X로 나타내면 Z는 원자 번호, A는 질량수다. 양성자 수는 Z, 중성자 수는 A-Z로 바로 읽는다. 중성 원자의 전자 수는 Z와 같다. 원자의 주기는 전자가 채워진 전자껍질 수로 정해진다.

자세히

원자 번호와 질량수는 모두 정수로 나타내지만 뜻이 다르다. 원자 번호는 원자핵 속 양성자 수를 세어 원소의 종류를 정하는 값이고, 질량수는 원자핵을 이루는 양성자와 중성자를 모두 세어 얻는 값이다. 원자 번호가 달라지면 양성자 수가 달라져 다른 원소가 된다. 반면 양성자 수가 같고 중성자 수만 달라지면 원소의 종류는 유지되며, 질량수가 달라진 동위 원소가 된다. 표의 빈칸을 채우거나 핵 반응 그림을 읽기 전에 두 수의 뜻을 구별하면, 원자 번호와 질량수를 뒤바꾸는 실수를 줄일 수 있다.

원자 기호의 왼쪽 위에 질량수, 왼쪽 아래에 원자 번호를 적는 표기를 이용하면 입자 수를 순서대로 복원할 수 있다. 왼쪽 아래 값을 먼저 양성자 수로 읽고, 왼쪽 위 값에서 아래 값을 빼면 중성자 수가 나온다. 예를 들어 표기에 주어진 값이 A와 Z라면 양성자는 Z, 중성자는 A-Z다. 원자가 전기적으로 중성이라는 조건이 있을 때에만 전자 수를 양성자 수와 같게 둘 수 있다. 원자 번호와 질량수만 주어진 중성 원자라면 전자 수도 결정되지만, 이온이라면 전하 조건을 추가로 확인해야 한다. 양성자·중성자·전자 수를 같은 방식으로 계산하지 말고, 주어진 조건에 맞춰 각각 따로 확인한다.

두 원자를 비교할 때는 먼저 원자 번호를 나란히 본다. 원자 번호가 같으면 같은 원소이고, 질량수까지 같으면 양성자 수와 중성자 수가 모두 같다. 원자 번호는 같지만 질량수가 다르면 중성자 수가 달라진 동위 원소다. 원자 번호가 다르면 질량수가 우연히 같더라도 동위 원소가 아니다. 질량수만 비교해서 같은 원소인지 판단할 수 없는 이유가 여기에 있다. 이름이나 원소 기호가 임의로 주어진 문제에서도 이 기준은 달라지지 않는다. 표의 A, B 같은 기호는 원소 기호가 아니라 문항에서 붙인 이름일 수 있으므로, 기호 모양만 보고 동위 원소라고 결정하지 않는다.

동위 원소 사이에서 달라지는 것은 중성자 수와 그에 따른 질량수다. 양성자 수가 같으므로 중성 원자라면 전자 수도 같고, 전자 배치도 같다. 화학적 성질이 전자 배치에 의해 정해지는 범위에서는 동위 원소의 화학적 성질이 같다고 판단한다. 이때 ‘양성자 수가 같다’는 사실과 ‘중성자 수도 같다’는 판단을 섞지 않아야 한다. 양성자 수는 같지만 중성자 수는 다르며, 그 차이가 질량수의 차이로 드러난다. 따라서 한 동위 원소의 질량수만 보고 다른 동위 원소의 질량수를 그대로 옮겨 적을 수 없다.