What is the shape of a molecule? - George Zaidan and Charles Morton

분자의 모양은 어떻게 생겼을까? - 조지 자이단 (George Zaidan), 찰스 모턴 (Charles Morton)

번역: JY Kang 검토: Jeong-Lan Kinser

What is the shape of a molecule?

분자의 모양은 어떻게 생겼을까요?

Well, a molecule is mostly empty space.

음... 분자는 거의 대부분이 빈 공간입니다.

Almost all of its mass is concentrated

분자 질량의 대부분은

in the extremely dense nuclei of its atoms.

극도로 높은 밀도의 원자핵에 집중되어 있죠.

And its electrons,

그리고 전자는

which determine how the atoms

원자가 서로

are bonded to each other,

어떻게 결합해있는지를 결정하며,

are more like clouds of negative charge

개별적으로 분리된 입자 형태라기 보다는

than individual, discrete particles.

음(-)의 전하를 띄는 구름 같이 생겼습니다.

So, a molecule doesn't have a shape

그래서, 분자의 모양은, 특정한 모양을 가지지 않습니다

in the same way that, for example,

예를 들어,

a statue has a shape.

마치 형태를 가진 조각상처럼요.

But for every molecule,

그러나 모든 분자에 대해서

there's at least one way

원자핵과 전자가 배열되는 데에는

to arrange the nuclei and electrons

적어도 한가지 법칙이 있습니다,

so as to maximize the attraction

반대 전하와의 끌어당김(인력)을

of opposite charges

최대화하고,

and minimize the repulsion

같은 전하 사이의 반발(척력)을

of like charges.

최소화하기 위해서요.

Now, let's assume that the only electrons

이제, 분자를 구성하는 원자의

that matter to a molecule's shape

가장 바깥 쪽에 있는 전자가

are the outermost ones from each participating atom.

분자 모양에 영향을 미친다고 가정해 봅시다.

And let's also assume

그리고, 또 하나

that the electron clouds in between atoms,

원자 사이에 있는 전자 구름을 가정해봅시다.

in other words, a molecule's bonds,

바꿔 말하자면, 분자의 결합은

are shaped kind of like sausages.

소세지 같은 모양을 띄고 있습니다.

Remember that nuclei are positively charged

원자핵은 양(+)의 전하를 갖고,

and electrons are negatively charged,

전자는 음(-)의 전하를 갖는다는 점도 기억해두세요.

and if all of a molecule's nuclei

따라서, 만약 분자의 모든 원자핵이

were bunched up together

하나로 뭉쳐 있거나,

or all of its electrons were bunched up together,

혹은, 모든 전자들이 하나로 뭉쳐 있다면,

they would just repel each other and fly apart,

그것들은 그저 서로 밀어내고 흩어지려 할겁니다.

and that doesn't help anyone.

아무 도움도 안되죠.

In 1776, Alessandro Volta,

1776년, 알레산드로 볼타 (Alessandro Volta)는

decades before he would eventually invent batteries,

그가 배터리를 발명하기 수 십년 전에

discovered methane.

메탄을 발견했습니다.

Now, the chemical formula of methane is CH4.

메탄의 화학식은 CH4 입니다.

And this formula tells us

그리고 이 공식으로부터 우리는

that every molecule of methane

모든 메탄 분자는

is made up of one carbon and four hydrogen atoms,

1개의 탄소(C)와 4개의 수소(H) 분자로 구성된다는 걸 알 수 있죠.

but it doesn't tell us what's bonded to what

그러나 그것들이 서로 어떻게 결합되어 있는지

or how they atoms are arranged in 3D space.

3차원 공간에서 원자들이 어떻게 배열되는지, 공식은 나타내지 않습니다.

From their electron configurations,

그들의 전자 구성으로부터

we know that carbon can bond

우리가 알고 있는 것은

with up to four other atoms

탄소는 최대 4개의 다른 원자들과 결합할 수 있고

and that each hydrogen can only bond

그리고 각각의 수소들은 오직 한 개의 다른 원자와

with one other atom.

결합한다는 것입니다.

So, we can guess

따라서, 우리는

that the carbon should be the central atom

탄소가 중심이 되는 원자가 되고

bonded to all the hydrogens.

거기에 수소들이 결합된다고 추측할 수 있죠.

Now, each bond represents

이제, 각각의 결합은

the sharing of two electrons

두 개의 전자를 공유하는 형태가 되고,

and we draw each shared pair of electrons as a line.

우리는 각각의 공유 전자 쌍을 선으로 표현합니다.

So, now we have a flat representation

그래서, 이제 우리는 이 분자를

of this molecule,

평평한 형태로 묘사한 결과를 얻었습니다.

but how would it look in three dimensions?

하지만, 입체적으로는 어떤 모양일까요?

We can reasonably say

합리적으로 말하자면,

that because each of these bonds

이들 각각의 결합은

is a region of negative electric charge

음(-) 전하의 영역이고

and like charges repel each other,

서로 밀어내려는 성질을 가지므로

the most favorable configuration of atoms

결합 간의 거리를 최대화하는 것이

would maximize the distance between bonds.

가장 바람직한 원자 배열 상태겠죠.

And to get all the bonds

모든 결합이

as far away from each other as possible,

서로 최대한 멀리 떨어져 있는

the optimal shape is this.

이것이 최적의 모양입니다.

This is called a tetrahedron.

바로 사면체 형상이죠.

Now, depending on the different atoms involved,

여기에서, 구성되는 원자가 달라짐에 따라

you can actually get lots of different shapes.

정말로 수 많은 다른 모양들을 갖게 됩니다.

Ammonia, or NH3, is shaped like a pyramid.

암모니아, 즉 NH3 는 피라미드와 같은 모양입니다.

Carbon dioxide, or CO2, is a straight line.

이산화탄소, 즉 CO2 는 일직선 모양이죠.

Water, H2O, is bent like your elbow would be bent.

물, 즉 H2O는 구부린 팔꿈치처럼 휘어진 모양입니다.

And chlorine trifluoride, or ClF3,

그리고 불화염소, 즉 CIF3 는

is shaped like the letter T.

T 자와 같은 모양이죠.

Remember that what we've been doing here

우리가 지금 살펴보고 있는 것은

is expanding on our model of atoms and electrons

원자와 전자로 이루어진 모델을 확장해서

to build up to 3D shapes.

3차원 입체형상을 만들고 있다는 걸 기억하세요.

We'd have to do experiments

이런 분자들이 실제로

to figure out if these molecules

우리가 예측한 형상을 갖는지 알아내기 위해

actually do have the shapes we predict.

실험을 해야 할 것입니다.

Spoiler alert:

미리 밝히자면:

most of the do, but some of them don't.

대부분 예측과 같지만, 그렇지 않은 경우도 있습니다.

Now, shapes get more complicated

그리고, 원자의 수가 증가할수록,

as you increase the number of atoms.

분자의 모양은 점점 더 복잡해지죠.

All the examples we just talked about

우리가 방금 이야기한 분자의 경우는

had one obviously central atom,

분명히 하나의 중심 원자를 가지고 있지만,

but most molecules,

대부분의 분자들,

from relatively small pharmaceuticals

상대적으로 작은 의약제에서

all the way up to long polymers

DNA나 단백질 같은 긴 중합체에 이르기까지,

like DNA or proteins, don't.

대부분의 분자들은 그렇지 않습니다.

The key thing to remember

기억해야 할 핵심은

is that bonded atoms will arrange themselves

원자 결합에 있어서 그 배열은

to maximize the attraction between opposite charges

반대 전하 사이의 끌어당기는 힘을 극대화하고

and minimize the repulsion between like charges.

동일 전하 사이의 반발을 최소화하려 한다는 것입니다.

Some molecules even have two or more

일부 분자는 안정적으로 배치된

stable arrangements of atoms,

두 개 이상의 원자를 갖고 있기도 합니다.

and we can actually get really cool chemistry

그리고, 우리는 실제로 멋지고 새로운 화합물을 만들 수 있습니다.

from the switches between those configurations,

그 배치 상태를 바꿈으로써,

even when the composition of that molecule,

분자의 구성일때 조차도,

that's to say the number and identity of its atoms,

즉 그 원자의 수와 특성이,

has not changed at all.

전혀 변하지 않았다 해도 말이죠.