원소가 많으면 하나의 화합물일까

탐구 주제

여러 물질을 한 병에 섞으면 원소의 종류는 쉽게 늘어난다. 그 병 속에 하나의 순수한 화합물이 들어 있다고 말할 수 있을까? ICHTO 2020·2021 공통 문제 1 ‘All the Mendeleev's Elements’에서 출발해, 원소 수를 세는 기준과 순도·구조를 입증하는 방법을 탐구한다.

ICHTO 공식 문제 자료실 · 원문은 2020·2021 공통 문제집의 1번을 확인했다. 공식 자료실은 확인 당시 접속이 원활하지 않아 보유 PDF와 대조했다.

이 글은 문헌과 구조 모형을 활용한 학교 탐구 제안이며, 직접 수행한 실험 결과가 아닙니다. 합성 기록이나 공식 해답을 제시하는 글이 아니다.

교육과정 연결

중학교 과학의 원소와 화합물, 고등학교 화학의 화학식과 화학 결합에 연결한다. 결정 구조 분석과 부분 점유는 심화 내용이다. 구체적인 성취기준은 수업 전에 NCIC에서 확인한다.

핵심 개념

원소의 종류, 화학식, 혼합물, 결정 격자, 단위 세포, 순도, 구조 분석

원리 살펴보기

화학식에 적힌 원소 기호의 종류와 원자의 개수는 다른 양이다. 같은 원소가 여러 자리에 반복되어도 종류는 한 번만 센다. 괄호와 아래첨자를 풀어 쓴 뒤 원소 기호의 집합을 만들면 이 차이를 확인하기 쉽다. 동위원소가 다르다는 이유로 새 원소를 하나 더 세지는 않는다.

OpenStax의 결정 구조 설명처럼, 고체에서는 입자가 반복되는 배열을 이루며 단위 세포로 그 구조를 나타낼 수 있다. 이온 결정 전체를 독립된 분자 하나로 생각하면 화학식의 의미를 잘못 읽게 된다. 원소를 더 넣는 아이디어를 평가할 때도 어떤 자리를 차지하는지, 전하와 조성이 맞는지부터 물어야 한다.

원소 분석과 구조 분석은 서로 다른 질문에 답한다. 원소 분석에서 여러 원소가 검출되었다고 해서 모두 같은 결정에 들어 있다는 결론은 나오지 않는다. 미량의 불순물이나 표면에 묻은 물질도 신호를 만들 수 있다. 한 결정의 구조를 밝혔더라도 시료 전체가 그 결정만으로 이루어졌는지는 별도로 살펴야 한다. 원소 수를 세는 표 옆에 그 원소가 어디에 존재한다는 증거인지 함께 적는다.

이번 탐구에서는 가장 많은 원소를 포함하는 신물질을 선언하지 않는다. 공개 논문에서 화학식과 구조가 제시된 후보를 고르고, 무엇이 입증되었고 무엇이 남았는지 비교한다. 결정에 포함된 용매나 서로 다른 원자가 나누어 차지하는 자리도 명시해, 서로 다른 계산 규칙으로 후보의 순위를 매기는 일을 피한다.

실험 설계

준비물

공식 문제집, 결정 구조를 설명한 공개 교재, 구조식·분자식과 분석 방법을 함께 확인할 수 있는 연구 논문, 스프레드시트, 원소 카드. 시약을 사용하지 않는 문헌 활동이다.

변인

비교할 항목은 후보 화합물의 조성이다. 평가값은 서로 다른 원소의 수와 순도·구조에 관한 증거의 충족 여부이다. 결정 용매를 포함할지, 부분 점유를 어떻게 기록할지, 혼합상을 제외할지 등의 판정 규칙은 모든 후보에 같게 적용한다. 원소 수와 증거의 충실도를 하나의 임의 점수로 합산하지 않는다.

실험 순서

원소 카드로 혼합물과 하나의 규칙적인 구조 모형을 각각 만든다. 두 모형의 카드 종류가 같아도 물질의 구성이 다를 수 있음을 설명한다.
후보를 고르기 전에 순수한 화합물의 판정에 필요한 자료를 정한다. 논문에 제시된 화학식, 구조 분석, 벌크 시료의 순도 확인을 서로 다른 칸으로 둔다.
공개된 후보의 화학식에서 원소 기호를 추출한다. 원소 종류를 센 목록을 두 사람이 독립적으로 작성해 대조한다. 문헌에 제시되지 않은 조성을 임의로 채우지 않는다.
각 후보의 구조 그림과 분석 방법을 확인한다. 구조가 계산으로만 제안되었는지, 실제 얻은 시료에서 결정했는지를 구분한다. 초록만 읽을 수 있다면 상세 순도 항목은 미확인으로 둔다.
반대 가설을 적는다. 혼합물, 잔류 용매 또는 소량 불순물이어도 관측을 설명할 수 있는지 묻고, 이를 구분할 추가 측정을 제안한다.

안전 안내

원소의 종류를 늘리려고 금속염·유기 시약·생활용품을 임의로 혼합하지 않는다. 방사성 원소나 독성 원소를 포함한 합성은 학교 활동으로 다루지 않는다. 이 글의 준비물은 문헌과 카드이며 실제 합성 절차는 포함하지 않는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

원소 분석 결과에 열 종류가 적힌 시료와 여덟 종류의 원소가 구조 안에서 확인된 시료 중 어느 쪽의 주장이 더 잘 입증되었을까? 원소 수와 증거의 종류를 따로 설명해 보자.

자료 정리

후보명, 원문 화학식, 원소 기호 목록, 원소 수, 구조 분석 방법, 순도 자료, 접근한 문헌의 범위를 기록한다. 수화물이나 결정 용매를 포함한 값과 제외한 값을 비교하려면 두 열에 각각 표시한다. 표 아래에는 사용한 계산 규칙과 미확인 항목을 남긴다. 출처에 없는 순도 수치나 수율을 추정해 넣지 않는다.

결과의 의미

원소 수가 큰 후보라도 구조 증거가 부족하면 확인된 후보와 같은 순위표에 올리기 어렵다. 후보가 성립하기 위해 필요한 증거를 구체화한 것 자체가 이번 탐구의 결과이다. 분석 방법을 많이 나열하기보다 각 방법이 어떤 반대 설명을 배제하는지 연결하면 논증이 분명해진다.

탐구 범위와 한계

이 활동은 순수한 화합물의 합성에 성공했음을 입증하지 않는다. 후보 구조의 가능성을 평가하는 단계이며, 최대 원소 수를 확정하는 전수 조사도 아니다. 교재는 결정 구조의 기본 개념을 뒷받침하지만 개별 후보의 존재나 안정성을 보증하지 않는다. 그 판단에는 후보 논문을 직접 읽고 검토하는 절차가 필요하다.

더 탐구하기

하나의 결정만 분석한 결과와 시료 전체의 조성 분석이 다를 수 있는 이유를 정리해 보자.
결정 용매를 포함하는 계산 규칙과 제외하는 규칙에서 후보의 순위가 유지되는지 살펴보자.
후보를 합성하기 전에 계산으로 알 수 있는 항목과 실제 측정해야 하는 항목을 나눠 보자.

연결 주제

10번 조성 탐색은 조성이 다른 입자를 비교하는 문제를, 12번 구리 결정은 겉모양과 결정 구조를 구분하는 문제를 다룬다.

참고문헌

[기본] OpenStax, Chemistry 2e. 10.6 Lattice Structures in Crystalline Solids. 단위 세포와 결정 구조 설명을 확인했다. 특정 다원소 화합물의 합성 근거로 사용하지 않았다.
[문제 출처] ICHTO 공식 문제 자료실. 보유 원문 IChTo-2020,2021-Problem-Set.pdf.pdf, 문제 1. 문제집의 요구 조건과 위 학교용 평가 활동은 구분한다.