물질
화합물과 혼합물 등의 물질은 어떤 방식에 의해 분리가 가능합니다. 그러나 원자로 이루어진 원소는 어떤 방법으로도 해체를 할 수가 없다는 점이 일반 물질과 다릅니다. 지구상에 있는 물질은 대부분 이런 화합물과 혼합물로 이루어져 있습니다. 케미컬앱스트랙트데이터베이스에는 3천만 종이 넘는 물질이 올려져 있으며, 이 중 1천200만 종이 상업적으로 이용 가능합니다. 그리고 지구상에서는 지속적으로 신물질을 만들어내서 매 해마다 40만여 가지가 생겨납니다. 화학물질이란 원소, 화합물 또는 혼합물을 지칭합니다. 원소는 오직 한 가지 원자로 이루어져 있으며 입자가속기를 이용하면 분리할 수 있지만, 다른 여타의 화학적 혹은 물리적 방법으로는 분리할 수 없습니다. 수소, 산소, 금, 탄소 등은 모두 원소입니다. 탄소는 가장 흔한 원소로서 다양한 형태로 존재합니다. 흑연과 다이아몬드는 전혀 달라 보이지만 모두 탄소가 변형된 형태입니다. 지금까지 알려진 원소들은 원소주기율표에 실려있습니다. 화합물이란 원소끼리 결합하여 분자를 이룬 것입니다. 화합물은 물리적 방법으로 분리할 수 없고, 분리하려면 다른 방법을 써야 합니다. 예를 들어 소금 한 분자는 나트륨 원자 1개와 염소원자 1개로 이루어져 있습니다. 순수한 형태의 나트륨은 무르고 은색을 띱니다. 순수한 형태의 염소는 보통 연녹색 기체로 매우 독성이 강하며 물을 만나면 격렬한 반응을 일으킵니다. 혼합물은 대개 균질해 보이지만, 물리적 방법을 통해 구성요소로 분리할 수 있습니다. 바닷물은 물과 소금이라는 화합물들로 이루어진 혼합물입니다. 청동, 황동 등 합금은 금속의 혼합물로 특수한 성질을 나타냅니다. 유탁액과 같은 혼합물은 구성요소를 쉽게 눈으로 확인할 수 있습니다.
원자
돌턴이라는 과학자는 모든 물질이 그 이상 해체될 수 없는 원자로 이루어졌다는 것을 발견하였고, 이 일로 인해 오늘날 화학이 출발하고 발전하기 시작하였습니다. 모든 원소는 질량과 구성이 모두 똑같고 이것은 어떤 물질을 구성하는 둥근 물체라고 가정하였으나, 톰슨이라는 학자가 19세기말에 이 원자도 또한 전자와 원자로 해체할 수 있다는 것을 발견하였습니다. 더욱이 앙투안 앙리 베크렐은 자연계에 존재하는 방사선을 실제로 관찰할 수 있었습니다. 이러한 발견을 통하여 학자들은 원자도 분리할 수 있다는 사실을 이해하기 시작했습니다. 20세기 초, 에른스트 러더포드는 방사선 물질로부터 방출된 알파 입자를 얇은 금박막에 충돌시키는 실험을 했습니다. 대부분의 알파 입자는 꺾이지 않고 그대로 금박막을 통과했지만 일부는 진행방향이 꺾였으며, 김 지어 거꾸로 튀어나오는 입자도 있었습니다. 러더포드는 이렇게 적고 있습니다. "믿을 수 없는 일이었다. 화장지에 대포알을 발사했더니 자신을 향해 도로 튀어나온 셈이었으니 말이다." 그는 금박막 속의 원자가 대부분 빈 공간으로 이루어져 있으나 각 원자의 중심에는 단단한 물질이 모여있어 유입되는 입자를 꺾이게 한다고 결론 지었습니다. 이러한 발견으로 러더포드는 원자란 양전하를 띤 중심과 음전하를 띤 껍질로 이루어져 있다고 생각했습니다. 이러한 개념을 더욱 발전시킨 것은 닐스 보어를 비롯한 다른 과학자들이었습니다. 그들은 원자의 중심에는 양성자와 중성자로 이루어진 핵이 있고 그 주위를 전자가 원을 그리며 돌고 있다고 주장했습니다.
주기율표
세계적으로 모든 화학실과 교과서에는 주기율표가 있습니다. 화학자들은 줄기차게 원소 간에 어떤 규칙이 존재한다고 믿었는데, 화학자 되베라이너가 중간원소의 원자량이 다른 두 원소의 원자량의 평균과 같다는 것을 발견하였습니다. 19세기 중반에 많은 새로운 원소가 발견됨과 동시에 드디어 과학자 디미트리 멘델레프와 로타르 마이어가 주기율표를 만들었습니다. 멘델레프는 원소를 원자량 순서로 배열한 후 비슷한 성질을 지니는 원소끼리 세로로 배열했습니다. 또한 알루미늄과 규소 아래 아직 발견되지 않은 원소를 위해 빈자리를 남겨두었습니다. 약 1세기 후, 멘델레프가 예견한 특성에 정확히 일치하는 원소, 즉 갈륨과 게르마늄이 발견되었습니다. 이 사건을 계기로 주기율표가 널리 받아들여지게 되었습니다. 주기율표에서는 각 원소를 원자번호 순서에 따라 원소기호로 표기합니다. 원자번호(양성자 수라고도 합니다)는 원자핵 속의 양전하를 띤 입자(양성자) 수입니다. 화학적 원소는 저마다 고유한 원자번호를 지닙니다. 원자는 중성이므로 원자번호는 전자 수와도 일치합니다. 양성자가 하나뿐인 수소원자는 가장 간단한 구조를 지닙니다. 반면 자연계에서 발견되는 가장 큰 원자인 우라늄 속에는 양성자가 92개나 들어있습니다. 원소의 화학적 특성은 가장 바깥껍질에 존재하는 전자 수에 따라 결정됩니다. 비슷한 특성을 갖는 원소들은 세로로 배열되어 18개의 조을 형성 합니다. 예를 들어 제8족에 속하는 모든 원소는 바깥껍질에 8개의 전자를 지니며(헬륨은 예외) 다른 원소와 반응을 일으키지 않습니다. 가로줄은 주기(1~7)라고 합니다. 전자의 질량은 매우 작아 무시할 수 있으므로 통일질량단위로 측정한 원자량은 양성자와 중성자의 질량을 합한 것입니다. 같은 원소라도 동위원소인 경우는 원자량이 서로 다릅니다.