3 원 자 구 조

원 자 구 조

3

3.1 전기와 원자

3.2 과학 안의 행운 : X- 선과 방사능 3.3 방사능의 세 가지 형태

3.4 러더퍼드의 실험 : 원자의 핵 모형 3.5 원자핵

3.6 전자배치 : 보어모형 3.7 전자배열 : 양자모형 3.8 전자구조와 주기율표

보이지 않는 것의 영상

원자

- 아주 작은 입자

- 주사터널현미경 (scanning tunneling microscope, STM) 을 사용하여 원자의 영상을 얻음

- 그러나 원자의 내부구조는 알 수 없음

3.1 전기와 원자

- 돌턴의 원자론 중 원자는 단단하고 나눌 수 없는 것

⇒ 오래지 않아 물질에는 전기적 성질이 있다는 증거가 축적 (ex. 1800 년에 니콜슨과 칼라일의 물을 전기분해 )

- 데이비 : KOH 용액에서 칼륨금속 분리 , NaOH 용액 전기분해해 소듐금속분리

전기분해 – Michael Faraday

- 전기분해 (electrolysis) : 전기에 의해 화합물을 분해

- 전해질 (electrolyte) : 액체 (or 물 ) 에 녹았을 때 전기를 통하게 하는 물질

- 전극 (electrode) : 탄소막대기 , 금속조각 사용 ⇒ 양극 (anode) : 양전하 (cation) 를 가진 전극 , 음극 (cathode): 음전하 (anion) 를 가진 전극

음극선 관

- 영국 화학자 크룩스 (William Crookes, 1832-1919)

: 압력이 낮은 진공관으로 전기를 통하게 하는 실험을 수행

- 음극선 : 음극을 띠나 양극으로 향하는 광선 ( 음극에서 방출되는 전자들의 흐름 )

그림 3.1 전기분해장치

톰슨의 실험 : 음전하 - 전자 (electron) 의 발견

1897 년 톰슨의 실험에서 음극선을 음전하를 띤 입자 ⇒ 전자 - 음극선은 가스 방전관의 음극에서 방출되는 전자들의 광선

- 음극선 입자는 전극이 만들어진 재료나 튜브 안의 기체 종류에 상관없이 같음 - 크기를 아는 자기장 안에서 휘어지는 각도를 측정하여 전자의 질량 대 전하의 비를 계산

그림 3.2 음극선 (전자들의 빔 )의 휘어짐을 보여주는 톰슨의 장치 .

(a) 전기장 안에서 음극선이 휘는 사진 (b) 자기장 안에서 음극선이 휘는 사진

골드스타인의 실험 : 양전하를 가진 입자

- 1886 년 독일 과학자 골드스타인 (Eugen Goldstein) : 양전하를 띤 입자를 연구하기 위해 구멍이 뚫린 음극을 가진 가스 방전관으로 실험

- 양전하를 띤 입자는 음극으로 향하며 , 다양한 질량을 가짐

- 가장 가벼운 입자의 질량은 전자의 1837 배에 해당

밀리칸의 기름방울 실험 : 전자 전하 - 시카고 대학교의 물리학자인 밀리칸 : 전자의 전하 결정

- 결정된 전하 값을 톰슨의 질량 대 전하의 비로부터 전자의 질량 계산 ( 전자의 질량 = 9.1 × 10^-28 g)

그림 3.3 양전하를 띤 입자 를 연구하기 위한 골드스타인 의 장치

그림 3.4 밀리칸의 기름방울 실험

X-선이 쪼여진 기름방울은 전자를 얻고 음전하를 띠게 된다 . 중 력에 의해 떨어지는 기름방울은 전기장에 의해 균형이 맞추어진 다 . 기름방울의 전하는 전압과 기름방울의 질량에 의해 결정된 다 . 각 기름방울의 전하는 전자 전하의 정수배이다 .

3.2 과학 안의 행운 : X- 선과 방사능

뢴트겐 : 새로운 광선 X- 선의 발견

- 1895 년 뢴트겐 (Wilhelm Conrad Roentgen, 1845~1923) : 암실에서 음극선에 의해 어떤 물질에서 생기는 빛을 연구 - 음극선관으로부터 멀리 떨어진 화학적으로 처리된 종이에서 발광이 있어남을 발견 ⇒ X- 선이라 명명함 . 전자기방사선 ,

에너지 . 방사능의 발견

- 1895 년 프랑스 물리학자 베크렐은 우라늄 화합물을 연구 : 태양빛에 두었을 때나 서랍 안에 두었을 때 모두 필름을 뿌옇게 만듦

⇒ 우라늄 원소의 성질이며 , 이를 방사능 (radioactivity) 이라 명명함

- 방사성 : 어떤 불안정한 원소로부터 자발적으로 방사선이 방출되는 것

- 스클로도프스카 , 퀴리 : 폴로늄 , 라듐을 발견

그림 X- 선은 1895 년에 뢴트겐이 발견한 이후 곧 의 학에서 사용되었다.

그림 실험실에 있는 마리 스클로도프스카

3.3 방사능의 세 가지 형태

러더퍼드 (Ernest Rutherford, 1871-1937)

: 다양한 방사성 원소로부터의 3 가지 종류의 방사선을 알파 , 베타 , 감마라고 명명 - 알파입자 : 양전하로 하전된 입자로 자기장에서 음극으로 휘어짐 ,

수소원자의 4 배 질량을 가지며 , 전자 전하량의 2 배 - 베타입자 : 음전하를 띤 입자로 전자라고 함

- 감마입자 : 자기장에서 휘어지지 않으며 , 투과력이 강함

그림 3.5 전기장 안에서 방사선의 거동

3.4 러더퍼드의 실험 : 원자의 핵 모형

- 러더퍼드의 제안으로 공동연구자인 독일 물리학자 가이거 (Hans Geiger, 1882~1945) 영국 학부생 마스덴 (Ernest Marsden, 1889~1970)

: 알파입자 (+) 를 매우 얇은 금속막에 충돌시키는 실험을 수행

방사성물질 알파입자

3.4 러더퍼드의 실험 : 원자의 핵 모형

- 러더퍼드의 제안으로 공동연구자인 독일 물리학자 가이거 (Hans Geiger, 1882~1945) 영국 학부생 마스덴 (Ernest Marsden, 1889~1970)

: 알파입자 (+) 를 매우 얇은 금속막에 충돌시키는 실험을 수행 - 실험결과

• 핵 (nucleus) : 양전하의 집합체

• 핵 바깥 공간 : 음전하를 가진 전자 ex. 원자 - 지붕이 있는 큰 구형 경기장 핵 - 무게가 몇 백만 톤인 콩 한 개 전자 - 구를 날아다니는 파리

그림 3.6 러더퍼드의 금박 실험

그림 3.7 러더퍼드의 금박 실험의 결과를 설명하는 모형

대부분의 알파입자는 대부분이 빈 공간인 금박을 통과한다 . 그러

나 알파입자가 밀도가 높고 양의 전하를 띤 핵 근처를 통과할 때는 알파입자는 굴절된다 . 때때로 원자핵과 직접 부딪치는 알파입자는 온 방향의 반대로 튕겨져 나간다 .

양전하로 하전된 알파입자가 양전하를 가진 핵에 접근할 때 알파입자는 강하게 반발 , 굴절

방사성물질 알파입자

3.5 원자핵

- 1914 년 러더퍼드 : 가장 작은 양전하 입자가 핵에 있는 양전하의 단위라고 제안 ⇒ 양성자

- 양성자 (proton) : 전자가 가진 전하와 크기가 같고 수소 원자와 거의 같은 질량 을 가짐 ⇒ 수소의 핵 (1 개의 양성자로 구성 ),

더 큰 원소의 핵은 더 많은 수의 양성자를 가짐 ex) 헬륨 원자핵 = 2+ ⇒ 러더퍼드 이론 : 2 개의 양성자를 가짐

⇒ 실제 : 수소의 4 배 질량을 가짐

- 1932 년 영국의 물리학자 채드윅 (James Chadwick, 1891-1974) : 양성자와 거의 무게가 같지만 전하를 갖지 않은 입자를 발견 ⇒ 중성자 (neutron)

ex) 헬륨 원자핵 = 2 개 양성자 (2 u) + 2 개의 중성자 (2 u) = 4 u - 원자번호 (atomic number, Z) = 양성자수

- 질량수 = 양성자수 + 중성자수 ( 전자의 질량은 무시 )

원자번호

- 원자번호 (atomic number, Z) : 한 원소의 원자핵에 있는 양성자 수 ex) 26 개의 양성자를 가진 원자는 ?

Z=26 ⇒ Fe

ex) 50 개의 양성자를 가진 원자는 ? Z=50 ⇒ Sn

- 양성자의 질량 = 1.0073 u, 중성자의 질량 = 1.0087 u ⇒ 양성자와 중성자의 질량 = 1 u ( 가정함 )

그림 3.8 수소의 3가지 동위원소

동위원소

- 동위원소 (isotope) : 양성자 수가 같고 중성자 수가 다른 관계에 있는 원자들 ( 교재 p66 참고 )

1

1

H

H

H

동위원소의 기호

- 핵자 (nucleon) : 2 개의 중요한 핵입자인 양성자와 중성자를 통칭 - 동위원소 기호 : A = 질량수 (or 핵자수 , 양성자 + 중성 자 ) Z = 핵의전하 ( 원자번호 , 양성자수 )

ex) 양성자수 = 17 개 , 중성자수 = 35 – 17 = 18 개

35 Cl

17

A X

Z

예제 3.1 중성자수 의 핵에 있는 중성자 수는 ?

풀 이

A – Z = 중성자수 = 235 – 92 = 143

235

U

92

예제 3.2 동위원소

기호 X 로 동위원소를 표시한 아래의 기호를 보고 물음에 답하라 . (a) 같은 원소의 동위원소는 어느 것인가 ? (b) 같은 질량수를 갖는 것은 어느 것인가 ?

(c) 같은 중성자 수를 갖는 것은 어느 것인가 ?

풀 이

a. 같은 원소의 동위원소는 원자번호가 같으므로 는 질소 이성질체 , 는 탄소 이성질체

b. 핵자 수는 위첨자이다 . 그러므로 가 핵자 수가 같다 .

c. 중성자수는 핵자 수에서 원자번호를 뺀다 . 의 중성자수가 같다 .

X X

X X

X

16 8

X X

16 8

,

X X

16 7

, X

X

14 6

,

X X

16 8

,

원자는 빛을 방출할 수 있다

높은 온도 또는 높은 전압 하에 놓여 있을 때

기체 상태의 원소들은 색깔을 띤 빛을 방출한다

3.6 전자배치 : 보어모형

불꽃놀이와 불꽃시험

- 18 세기와 19 세기 과학자들

: 몇 가지 원소를 알아내기 위하여 불꽃의 색을 이용하는 불꽃시험을 개발

- 불꽃놀이의 색은 특정한 원소 때문 ex) 밝은 붉은색 – 스트론튬 화합물 초록색 – 바륨 화합물

노란색 – 나트륨 화합물

그림 3.9 어떤 화학원소들은 그들의 화합물이 불꽃에서 주는 특징적인 색으로 알 수 있다 .

그림 불꽃놀이의 밝은 색은 불꽃에 첨가된 화합물에서 나온다.

연속 스펙트럼과 선 스펙트럼

연속 스펙트럼

- 백열등의 백색광을 프리즘에 통과시키면 무지개색을 만듦

- 모든 파장이 존재 선 스펙트럼

- 특정한 파장 ( 또는 진동수 ) 을 가진 빛에 해당 - 원소에 의해 방출되는 선들의 형태

- 각 원소의 선 스펙트럼은 각각 다름 . 그 원소의 특징

⇒ 원소를 알아내는 데 쓰임

- 각 원소의 전자가 에너지를 흡수한 후 , 낮은 에너 지 준위로 내려올 때 방출하는 에너지의 파장

- 어떤 선들은 적외선 , 자외선 지역에서 나타남

그림 3.10 태양빛이 빗방울을 통과하여 하늘에 무지개를 만드는 것처럼 유리 프리즘은 백색광 을 분리하여 연속 스펙트럼 , 즉 무지개 색을 만 든다 .

그림 3.11 몇몇 원소들의 선 스펙트럼 (파장 단위 [Å])

19

전자기파 스펙트럼 (electromagnetic spectrum)

• 전자기파 : 파장 10^-16 m ( 감마선 ) 에서 10⁶ m ( 라디오파 ) 까지의 범 위

전자기파 스펙트럼

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전자기파 종류들

• 감마선: 태양, 별, 지구에 있는 불안정한 원자핵에서 만들어짐. 감마선에 노출되는 것은 위험

• X-선: 의료용으로 친숙하다. X-선 광자도 생체 분자에 손상을 줄 정도로 충분한 에너지를 전달. 연간 수회 정도 X-선에 노출되는 것은 상대적으로 무해한 반면에, 과다 노출은 암 발 병률을 높임.

• 자외선(ultraviolet, UV light): 과도히 노출되면 피부암과 백내장의 위험이 증가하고 피부 노화를 초래.

• 가시광선의 광자: 생체 분자를 손상시키지 않음. 눈에 있는 분자들을 재배열하고 신호를 뇌에 전달하여 볼 수 있게 함.

• 적외선(infrared light): 가시광선보다 더 긴 파장을 갖는다. 뜨거운 물체 근처에 손을 대면 느끼는 열이 바로 적외선.

• 더 긴 파장을 가진 마이크로파(microwave): 레이더와 마이크로파 오븐에 사용

• 라디오파(radio wave): AM, FM 라디오, 휴대폰, 텔레비전 등 신호를 전달하는 데 사용.

전자기파 스펙트럼

선 스펙트럼에 대한 보어의 설명

- 1913 년 보어 : 전자가 어떤 에너지라도 갖는 것이 아니라 특정한 양의 에너지만 갖는다고 제안 ( 불연속적 에너지 다발로 방출 )

⇒ 전자의 에너지는 양자화됨

- 양자 (quantum) : 진동수에 의존하는 에너지의 작은 단위 - 에너지 준위 (energy level) : 전자의 특정한 에너지 값

선 스펙트럼에 대한 보어의 설명

- 보어의 원자모형 : 핵 주위를 도는 전자들을 태양을 도는 행성처럼 생각

수소원자의 선스펙트럼이 나타내는 것

각각의 선은 에너지를 흡수한 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어질 때 방출되는 빛의 진동수

수소의 선 스펙트럼

전자의 에너지 준위

주에너지 준위 ( n ):

핵으로부터 떨어진 전자의 거리를 말해준다 ( n 수가 커질수록 핵으로부터의

거리는 멀어진다 )

n 는 양의 정수이다 .(1,2,3, 등 .)

바닥상태와 들뜬상태

바닥상태 (ground state)

- 가장 낮은 에너지 준위 ( 핵에 가장 가까운 ) 에 있는 전자들 들뜬상태 (excited state)

- 원자에 에너지가 공급되면 전자들이 더 높은 에너지준위로 옮겨짐

- 전자가 바닥상태로 다시 돌아갈 때 들뜬상태의 원자는 양자에너지를 방출함 에너지 준위가 가질 수 있는 최대 전자수

최대 전자 수 = 2n² (n= 에너지 준위 ) 에너지준위 = 껍질 (shell)

예제 3.3 전자껍질 용량

5 번째 껍질 (5 번째 에너지 준위 ) 에 있는 최대 전자 수는 ? 풀 이

주어진 껍질의 최대 전자 수는 2n² 이므로 2 × 5² = 50

원자의 형성 : 주 껍질 ( 에너지준위 )

- 전자는 가능한 가장 낮은 에너지 준위 ( 껍질 ) 로 들어감 - 보어에 따르면 첫 번째 껍질의 최대 전자수 = 2

두 번째 껍질의 최대 전자수 = 8 - ex) 나트륨 원자 (Z=11) 의 전자구조

⇒ Na 2 8 1

( 각 껍질의 전자수 표기로 간단히 표시 ) 전자구조 (electron configuration , 배열 )

예제 3.4 주 껍질 전자구조

불소의 주 껍질 전자구조를 써라 .

풀 이

F(Z=9) : 전자 2 개는 첫 번째 껍질로 남은 7 개 전자는 두 번째 껍질로 들어감 ⇒ F : 2 7

3.7 전자배열 : 양자모형

전자의 파동성질 이론

: 1924 년 프랑스 물리학자 드브로이 (Louis de Broglie, 1892~1987) 에 의해 처음 제안

원자 내에서 전자의 성질 기술 식

: 1920 년 오스트리아 물리학자 슈뢰딩거 (Erwin Schrodinger) 에 의해 수학적인 양자역학을 사용하여 주어진 공간의 부피 내에서 전자를 발견할 확률을 제안 ⇒ 보어의 행성모형은 모양과 부피가 정해진 공간 모형인 오비탈로 바뀜

orbital- 더 정교한 모형

오비탈 채움에 의한 원자 형성

- 각 전자 오비탈은 최대 2 개의 전자를 가짐

- 어떤 껍질은 1 개 이상의 오비탈을 가질 수 있음 - 첫 번째 껍질 : 1s- 오비탈 ( 구형 )

그림 3.14 원자오비탈 의 전하구름 / 전자구름

29

궤도와 궤도함수의 비교

• 보어 모델 원자의 양자역학적 모델 ( 궤도) ( 궤도함수, orbital)

• 궤도함수는 그들이 전자가 따르는 특정 경로가 아닌 전자가 발견될 만한 곳의 통계적 분포를 보여주는 확률 지도를 나타낸다는 점에서 궤도와 다른 점이 있다.

보어 모델에서 궤도: 원자 핵 주위에서 일어나는 전자의 운동을 보여주는 원형 경로

양자역학적 모델에서 궤도 함수: 포수에 의해 그려진 확률지도와 유사한 확률지도

* 보어 모델에서 궤도에 따라 반경이 다르듯이, 양자역학적 모델에서도 궤도함수에 따라 모양이 다르다.

양자역학적 모델 : 궤도함수를 가진 원자

- 두 번째 껍질 : 2s- 오비탈 ( 구형 ), 2p- 오비탈 ( 아령모형 ) - 세 번째 껍질

: 3s- 오비탈 ( 구형 ),

3p- 오비탈 ( 아령모형 ), 3d- 오비탈 ( 복잡한 모형 ) - 전자구조의 예

수소 (Z=1) H 1s¹ 헬륨 (Z=2) He 1s² 리튬 (Z=3) Li 1s² 2s¹ 질소 (Z=7) N 1s² 2s² 2p³

아르곤 (Z=18) Ar 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

그림 3.15 두 번째 주 껍질의 전자 오비탈

그림 3.16 원자의 전자구조를 결정하는 오비탈을 채우는 순서 그림

예제 3.5 부껍질 표시

다음 원소의 전자구조를 부껍질 표시를 이용하여 써라 . (a) 산소 (b) 황

두 원소의 전자구조에서 어떤 유사점이 있는가 ?

풀 이

a. 산소 (Z=8) ⇒ 전자구조 1s² 2s² 2p⁴

b. 황 (Z=16) ⇒ 전자구조 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴

두 원소의 유사점 ⇒ O 와 S 모두 가장 에너지가 높은 준위 ( 최외각 껍질 ) 에 4 개의 전자를 갖는다 .

33

양자역학적 모델에서 숫자와 문자는 궤도함수를 명시

• 숫자는 주양자수(principal quantum number, n)라고 불리고, 궤도함수의 주껍질(principal shell)을 의미한다. 주양자수가 클수록 궤도함수의 에너지가 더 크다. 가능한 주양자수는 n = 1, 2, 3……이며 n이 증가함에 따라 에너지도 증가한다.

• 문자는 궤도함수의 부껍질(subshell)을 가리키고, 궤도함수의 모양을 지정. 가능한 문자는 s, p, d, f이고 각각 다른 모양을 갖는다.

양자역학적 궤도함수

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부껍질 ( 부에너지준위 )

각운동량 양자수라고도 불림 . 주양자수 ( 주껍질 ) n 에 의해 결정 오비탈 ( 궤도함수 ) 의 모양을 나타내 준다 .

양자역학적 궤도함수

35 부껍질 ( 계속)

s 오비탈

• 구형

• 전자가 발견될 확률이 90 % 인 부피를 둘러싸는 구형

• 1s 오비탈보다 2s 오비탈이 더 크다 .

양자역학적 궤도함수

36 부껍질 ( 계속)

p 오비탈

• 아령 모양

• 3 가지 배향을 갖는다 .

• 주양자수 2 이상에서 나타난다 .

양자역학적 궤도함수

37

부껍질(계속) d 오비탈

• 보다 복잡한 모양

• 5가지 종류가 있고, 주양자수 3 이상에서 나타난다.

• f오비탈은 7가지 종류가 있으며 주양자수 4이상에서 나타남

양자역학적 궤도함수

38

전자배치 (electron configuration) : 전자가 궤도함수를 차지하는 방법, 전자배치는 특정 원자에 대해 전자들의 궤도함수 점유를 보여줌.

<2가지 방식>

• 바닥 상태의 수소 원자의 전자배치(I)

• 궤도함수 그림(orbital diagram)(II) 박스(궤도함수) 화살표(전자) 화살표의 방향(전자스핀)

전자배치와 주기율표

• 헬륨의 전자배치와 오비탈그림

위의 궤도함수 그림에서 하나의 오비탈에 2 개보다 더 많은 전자가 들어갈 수 없다.

파울리의 배타 원리(Pauli exclusion principle) 는 궤도함수가 반대 스핀을 가진 2 개의 전자보다 많은 전자를 포함할 수 없음을 말한다.

• 궤도함수의 에너지 순서에 따라 전자를 배치하면 된다.

전자배치와 주기율표

40

• 리튬(3번)에서 네온(10번)까지의 전자배치와 오비탈그림

• 6개의 전자를 갖는 탄소의 경우, 2p 전자들이 하나의 궤도함수에 짝을 지어 들어가기보다는 같은 에너지의 p 궤도함수에 하나씩 들어가는 것에 주의하라.

훈트의 규칙(Hund’s rule):

같은 에너지의 궤도함수를 채울 때 전자들은 먼저 나란한 방향의 스핀으로 하나씩 궤도함수를 채운다 (홀전자가 많도록 채움).

전자배치와 주기율표

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• 네온 다음 원소의 전자배치

 그 앞의 영족 기체의 전자배치는 종종 대괄호 속에 영족 기체의 원소기호를 적어 넣음으로 생략된다.

 예를 들어 소듐의 전자배치는 다음과 같다.

Na 1s22s22p63s1

이것을 또한 다음과 같이 쓸 수 있다.

Na [Ne]3s¹ (여기서 [Ne]는 네온의 전자배치를 나타낸다. ) 예제

다음 각 원소의 전자배치를 써라.

(a) Mg (b) S (c) Ga 풀 이:

(a) Mg 1s²2s²2p⁶3s² 또는 Mg [Ne]3s² (b) S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ 또는 S [Ne]3s²3p⁴

(c) Ga 1s22s22p63s23p64s23d104p1 또는 Ga [Ar]4s23d104p1

전자배치와 주기율표

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예제

실리콘에 대한 궤도함수 그림을 그려라.

(풀 이)

실리콘은 원자번호가 14번이기 때문에, 14개의 전자를 갖는다.

개념 확인

다음 원소의 쌍들 중에 p 궤도함수에 있는 전자의 총 수가 같은 것은 어느 것인가?

(a) Na과 K (b) K과 Kr (c) P과 N (d) Ar과 Ca

(풀이) (d)

둘 다 2p 궤도함수에 6개의 전자, 3p 궤도함수에 6개의 전자를 갖는다.

전자배치와 주기율표

대부분의 원소는 동위원소가 있기 때문에 ,

원소의 원자 질량은 자연계에 존재하는 동위원소를 고려한 평균 질량 이다 .

예 :

Cu 의 원자 질량은 63.546 amu 이다 .

Cu 는 Cu-63 와 Cu-65, 두 종류의 동위원소가 있다 . Cu-63 가 더 많이 존재하기 때문에 ,

원자 질량도 63 amu 에 가깝다 . 평균 원자 질량 계산하기 :

각 동위원소의 원자 질량에 % 존재율을 곱한 값의 합

원자 질량과 동위 원소의 영향

Cu 의 평균 질량 :

Cu 동위원소 존재율의 측정은 질량 분석계를 사용한다 .

(62.9298) x (0.6909) + (64.9278) x (0.3091) = 63.55 amu

원자 질량과 동위 원소의 영향

원자 질량 % 존재율 원자질량 % 존재율

은 원자는 106.9041 와 108.9047 amu 에 해당하는 두 종류의 동 위원소가 있다 .

각각의 % 존재율이 51.82 와 48.18% 일 경우 은 원자의 평균 원 자량을 계산하라 .

Ag 의 평균 원자 질량 :

(106.9041) x (.5182) + (108.9047) x (0.4818) = 107.8680 amu

원자 질량 % 존재율 원자질량 % 존재율

원자 질량 연습

3.8 전자구조와 주기율표

원소의 성질은 전자구조와 관련됨 현대의 주기율표

- 세로줄 , 족 (group) : 같은 족에 있는 원소는 비슷한 화학적 성질을 가짐 - 가로줄 , 주기 (period) : 원소의 성질은 주기에 따라 변함

- 주족 원소 (main group element) : A 족에 있는 원소 - 전이 원소 (transition element) : B 족에 있는 원소

족의 특징 : 최외각 전자의 구조

최외각 전자 (valence electron, 원자가전자 ) : 가장 바깥 껍질 ( 가장 큰 주양자수 n) 에 있는 전 자

ex) 인의 최외각 전자 ; P 3s⇒ ² 3p³

그림 3.17 최외각 전자구조의 주기율표

주기율표는 1869 에 드미트리 멘델레예프가 원소의 기본적인 성질 에 따라 배열하고자 제안한 것이다 .

족이라 불리는 세로 줄을 따라 화학적 성질이 비슷한 원소가 배치되어 있다 .

주기율표는 반응성이 없는 원소들끼리 모여 있는 비활성 기체와 같이 네 가지의 특별한 이름의 구획으로 나뉘어져 있다 .

3.2 주기율표에 대한 서론

8 개의 긴 족 원소들은 주족 원소 ,

혹은 전형 원소라 불린다 . 아래 붉은 선으로 나타낸 부분이다 .

중앙에 있는 원소는 전이 원소라고 한다 . 이 부분은 보라색선으로 나타낸 부분이다 .

주기율표에 대한 서론

원소는 금속 , 비금속 , 준금속으로 분류할 수 있다 .

주기율표에 대한 서론

금속이란

• 상온에서 고체이다 ( 수은 제외 ).

• 광택이 있다 .

• 열과 전기에 대한 좋은 전도체이다 .

• ( 두드려서 모양이 만들어지는 ) 전성이 있다 .

• ( 철사로 뽑을 수 있는 ) 연성 이 있다 .

대부분의 금속은 높은 녹는점과 밀도를 가지고 있다 .

일반적인 금속이라 하면 알루미늄 , 금 , 백금 , 은 , 주석 , 철을 말한 다 .

금속

일반적으로 금속은 화합물을 만들기 위해 비금속과 결합을 하지만 다른 금속과는 거의 결합하지 않는다 .

구리 , 금 , 은 처럼 몇몇의 금속은 자연상태 그대로 발견된다 .

놋쇠 , 청동 , 강철 , 주화처럼 몇몇의 금속들은 합금이라 불리는 형태 의 균일한 혼합물로 섞인다 .

금속

비금속은 :

• 광택이 없다 .

• 녹는점과 밀도가 낮다 .

• 열 및 전기 전도성이 낮다 .

비금속은 다른 비금속과 결합하여 분자 화합물을 형성하며 , 금속과 결합하여 이온 결합 화합물을 형성한다 .

자연계에서 다른 원소와 결합하지 않은 상태로 발견되는 비금속으로는 탄소 , 질소 , 산소 , 황이 있다 .

비금속

준금속은 금속과 비금속의 중간적 성질을 나타낸다 .

주기율표에서는 금속과 비금속 사이에 대각선으로 위치한다 .

붕소 , 규소 , 저마늄과 같은 준금속은 전자 산업을 가능하게 하는 반도체 소자의 원료 물질이다 .

준금속

다음 원소 중 어떤 것이 금속인가 ? Na, Mo, Cl, S, Mg, Pt, Kr, I, C, Cu

Na, Mo, Mg, Pt, Cu

금속은 전형적으로 주기율표의 왼쪽에서 발견된다 . 다음 중 은의 원소 기호는 ?

a. S b. Si c. Ag d. Au e. Sr

황 규소 은 금

스트론튬

연습해 봅시다 !

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원자 크기(atomic size):

최외각 전자들이 핵으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있느냐에 따라 결정

• 주기를 가로질러 한 칸 한 칸 움직일 때마다 , 핵 속에 있는 양성자 수도 증가한다 . 양성자 수의 이러한 증가는 전자를 더 세게 끌어당기게 되고, 원자의 크기가 실제로 감소하는 결과를 가져온다 .

• 주기율표에서 열 아래로 내려가면 , 가장 큰 주양자수 , n 은 증가한다 . 주양자수가 증가함에 따라 궤도함수의 크기가 증가하기 때문에, 가장 바깥쪽 궤도함수를 차지하는 전자들은 핵으로부터 더 멀리 떨어져 있어 원자 크기는 커진다 .

주기적 경향 : 원자의 크기 , 이온화에너지 , 금속성

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이온화에너지 (ionization energy)

• 기체 상태의 원자로부터 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지

– 소듐의 이온화는 다음 식으로 나타낼 수 있다 . – Na ＋ 이온화에너지 → Na^＋ ＋ 1e^-

주기적 경향 : 원자의 크기 , 이온화에너지 , 금속성

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이온화에너지( 계속)

• 주기율표에서 주기 (또는 행) 오른쪽으로 갈수록 이온화에너지는 증가한다.  오른쪽으로 갈수록 핵 전하량이 증가하여 전자를 떼어내기 어렵기 때문이다.

• 주기율표에서 열 (또는 족) 아래로 갈수록 이온화에너지는 감소한다.아래쪽으로 갈수로 전자가 덜 단단히 붙어 있어서 멀리 떼어내기가 더 쉽다.

예제

다음 각 쌍으로부터 더 큰 이온화에너지를 갖는 원소는 무엇인가?

(a) Mg 또는 P (b) As 또는 Sb (c) N 또는 Si (d) O 또는 Cl 풀 이:

(a) P > Mg, 같은 주기에서 오른쪽으로 움직이기 때문이다.

(b) As > Sb, 족 아래로 내려가기 때문이다.

(c) N > Si, 족 아래로 이동하고 (이온화에너지 감소) 주기 왼쪽으로 이동하기 때문이다(이온화에너지 감소).

(d) O 또는 Cl 주기적 성질만을 근거해서는, 어느 것이 이온화에너지가 더 큰지 말할 수 없다.

주기적 경향 : 원자의 크기 , 이온화에너지 , 금속성

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금속성

• 금속은 그들의 화학반응에서 전자를 잃는 경향이 있는 반면에 , 비금속은 전자를 얻는 경향이 있다 .

주기적 경향 : 원자의 크기 , 이온화에너지 , 금속성

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금속성( 계속)

• 주기율표에서 주기 (또는 행) 오른쪽으로 갈수록 금속성(metallic character)은 감소한다.

• 주기율표에서 열 (또는 족) 아래로 갈수록 금속성이 증가한다.

• 금속은 주기율표의 왼쪽에서 발견되고, 비금속(수소는 예외)은 오른쪽에서 발견된다.

예제

다음 각 쌍으로부터 금속성이 더 큰 원소는 무엇인가?

(a) Sn 또는 Te (b) Si 또는 Sn (c) Br 또는 Te (d) Se 또는 I 풀 이:

(a) Sn이 Te보다 금속성이 더 크다. Sn과 Te의 경로를 추적할 때, 같은 주기 내에서 오른쪽으로 움직이기 때문이다.

(b) Sn이 Si보다 금속성이 더 크다. Si와 Sn 사이의 경로를 추적할 때, 족 아래로 움직이기 때문이다.

(c) Te가 Br보다 금속성이 더 크다. Br과 Te 사이의 경로를 추적하면, 열을 따라 아래로 움직이고 (금속성 증가) 그러고 나서 주기의 왼쪽으로 ( 금속성 증가) 움직이기 때문이다.

(d) Se 또는 I 주기적 성질만을 근거해서는 어느 것의 금속성이 더 큰지 말할 수 없다.

주기적 경향 : 원자의 크기 , 이온화에너지 , 금속성

같은 족의 원소

알칼리 금속 (1A 족 )

- 최외각 전자구조 = ns¹

- 물과 격렬히 반응하여 수소기체를 발생

- 아래로 내려갈수록 부드러움 ( 예외 : 수소는 비금속 ) 알칼리 토금속 (2A 족 )

- 최외각 전자구조 = ns²

- 상당히 부드럽고 물과 적당히 반응

- 아래로 내려갈수록 물과의 반응성이 커짐

( 예외 : 베릴륨은 단단하고 , 물과 반응하지 않음 ) 할로겐 (7A 족 )

- 최외각 전자구조 = ns² np⁵ - 반응성이 큰 원소들 - 알칼리 금속과 격렬히 반응하여 결정성 고체를 만듦 - 아래로 내려갈수록 반응성이 작아짐

불활성기체 (8A 족 )

- 최외각을 완전히 채움 - 화학 반응성이 거의 없음

그림 알칼리 금속인 리 튬은 물과 반응하여 수 소 기체를 생성함

그림 알칼리 금속인 칼 륨은 같은 반응을 훨씬 더 격렬하게 한다.

예제 최외각 껍질 전자구조

최외각 껍질의 전자구조를 부껍질 표현법을 이용하여 써라 . (a) 스트론튬 (Sr) (b) 비소 (As)

풀 이

a. 스트론튬 ⇒ 2A 족 (2 개의 전자 ), 5 주기 (n=5) ⇒ 최외각 전자구조 5s² b. 비소 ⇒ 5A 족 (5 개의 전자 ), 4 주기 (n=4) ⇒ 최외각 전자구조 4s² 4p³

금속과 비금속 금속의 특징

: 광택 , 열과 전기의 좋은 전도체 ,

실온에서 고체 ( 예외 , 액체 수은 ), 연성 , 전성 비금속의 특징

: 기체 ( 산소 , 질소 , 불소 , 염소 ), 고체 ( 탄소 , 황 , 인 , 요 오드 ),

액체 ( 브롬 )

준금속 (= 반금속 ) 의 특징

: 금속과 비금속의 중간 성질을 가짐 , 반도체 (B, Si, Ge…)

어떤 모형을 선택할 것인가 ?

원자 안의 전자 분포를 설명하기 위한 모형 - 주 껍질 전자구조

- 양자역학의 전자구름 모형

- 돌턴의 모형 (ex. 기체 거동 설명 )

그림 (위 ) 금 같은 금속은 쉽게 성형 할 수 있고 열과 전기를 잘 전도한다. ( 아래) 황 같은 비금속은 쉽게 부서지 고 낮은 온도에서 녹을 뿐 아니라 좋은 절연체이다.

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원소의 분류 ; 금속 , 비금속 , 준금속

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