원자, 분자 및 이온

Ch. 2

원자, 분자 및 이온

2.1 화학과 원소

2.2 원소와 주기율표

2.3 대표적 원소 족과 그들의 성질 2.4 원자론을 지지하는 증거들:

질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙 2.5 배수 비례 법칙과 돌턴의 원자론 2.6 원자 구조: 전자

2.7 원자 구조: 양성자와 중성자 2.8 원자 번호

2.9 원자량과 몰

2.10 혼합물과 화합물; 분자와 공유 결합

보일(Robert Boyle, 1627~1691)

• 보일은 기체의 성질과 거동에 대한 일련의 면밀한 연구함 -> 원자에 대해 분명한 증거를 제시함.

• 원소를 더 이상 화학적으로 분해할 수 없는 물질로 정의함.

질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙

2.1 화학과 원소

우리 주위에서 볼 수 있는 모든 것은 현재까지 알려진 118가지 원소 중 하나 이상으로 형성됨.

원소(element)

화학적으로 변화시키거나 더 간단한 것으로 분해할 수 없는 기본적 물질임.

• 118가지 원소 중 약 90가지만 천연으로 존재함.

(나머지 28개 원소는 핵화학자들에 의해 인공적으로 생산됨)

• 천연으로 존재하는 90가지 정도의 원소 중 83가지만이 상당한 양으로 존재함.

• 우주의 질량 중 약 75%는 수소임.

• 지각의 질량 중 약 75%가 산소와 규소임.

• 매우 적은 양의 원소도 존재함.

(프랑슘(Fr)은 전 지구를 통틀어서 20그램 미만으로 존재)

• 인체 질량의 95% 이상을 산소, 탄소, 질소, 수소가 차지함.

원소 기호

• 화학자들은 특별한 원소를 간단하게 나타내고자 하나 또는 두 문자의 기호를 사용함.

• 원소기호의 첫 문자는 대문자로 쓰고 두 번째 문자는 소문자를 사용함.

• 많은 기호는 원소의 영어 이름 중 첫 한 두 문자로 표기함.

(예: H = 수소(hydrogen), C = 탄소(carbon), Al = 알루미늄(aluminum))

• 라틴어나 다른 언어에서 중 첫 한 두 문자로 표기함.

(예: Na = 소듐(라틴어의 natrium), Pb = 납(라틴어의 plumbum), W = 텅스텐(독일어의 wolfram)

• 모든 118가지 원소의 이름, 기호,관련 정보는 주기율표(periodic table)에 정리.

2.2 원소와 주기율표

• 인류 역사의 초기부터 안티모니(Sb) , 탄소(C) , 구리(Cu) , 금(Au) , 철(Fe) , 납(Pb), 수은(Hg), 은(Ag), 황(S), 주석(Sn)의 10가지 원소가 알려짐.

• 미국이 건국된 1776년 에도 24가지 원소만이 알려짐.

• 1700년대 후반과 1800년대 초반 과학적 발견의 속도가 빨라짐에 따라 화학자들은 일반적인 결론을 끌어내기 위해 원소 사이의 유사성을 조사.

• 1800년대 중반에 특정 원소들이 가지고 있는 유사성을 설명하려는 시도.

• 1869년에 현대적 주기율표의 전신을 발표한 러시아 화학자인 멘델레예프 (Dmitri Mendeleev) 에 의해서 획기적인 모순이 없는 가설이 성립.

멘델레예프의 주기율표 배열 원칙

실험적으로 측정된 화학적 사실을 이용하여 원소들을 상대 질량 [원자량

(atomic weight) 이라고도 함] 순으로 배열한 후에 원소들을 그들의 화학 반응성에 따라 그룹화.

멘델레예프 주기율표의 일부. 이 주기율표는 그 당시에 알려진 원자들의 상대 질량과 미지의 원소들을 나타내는 몇 개의 빈칸을 보여 줌.

• 주기(period): 7개의 수평 줄.

• 족(group): 18개의 수직 열.

족의 표기;

• International standard: 1-18

• US system: 1A-8A, 1B-8B 주기율표에는 18개 족 대신에 32개의 족

-> 한 면에 적당하게 표시하려고 란타넘 족과 악티늄 족을 표의 아래쪽에 족 번호 없이 따로 명시함.

주족(main group)

왼쪽의 두 족과 오른쪽 의 여섯 족.

전이 금속족(transition metal group) 중앙의 10개 족.

내부 전이 금속족 (inner transition metal group)

주기율표 밑에 따로 표시한 14개의 족.

2.3 대표적 원소 족과 그들의 성질

성질(property)

물질을 설명하거나 확인하는 데 이용되는 모든 특성을 말함.

• 세기 성질(intensive property): 시료의 양과 관계가 없는 값임.

예) 온도, 녹는점

• 크기 성질(extensive property): 시료의 크기에 따라서 값이 변화함.

예) 길이, 부피

• 물리적 성질(physical property): 시료의 화학적 구조 변화를 포함하지 않는 특성을 말함.

예) 얼음 -> 물 (형태만 변화)

• 화학적 성질(chemical property): 화학적 구조 변화를 요구하는 성질임.

예) 철 -> 녹 (새로운 물질 형성)

1A

• 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)은 무르고 은빛이 나는 금속.

• 물과 빠르게(흔히 격렬하게) 반응하여 알칼리성(염기성)이 강한 생성물을 형성

• 높은 반응성 때문에 알칼리 금속은 천연에서 순수한 상태로는 발견되지 않으며 다른 원소와 결합해서 존재함.

• 수소는 무색의 기체로 외관과 성질이 알칼리 금속과는 전혀 다름.

2A족: 알칼리 토금속

베릴륨(Be) 마그네슘(Mg) 칼슘(Ca) 스트론튬(Sr) 바륨(Ba) 라듐(Ra)

• 광택이 있는 은빛 금속임.

• 1A족보다는 반응성이 더 약함.

• 천연에서 순수한 상태로 존재하지 않음.

7A족: 할로젠

플루오린(F) 염소(Cl) 브로민(Br) 아이오딘(I) 아스탄틴(At)

• 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)은 색이 있고 부식성인 비금속임.

• 천연에서 다른 원소와 결합한 채로만 존재함. (NaCl)

• 할로젠(halogen)이란 이름은 ‘소금’을 의미하는 그리스어 ‘hals’에서 따온 것임.

• 아스타틴(At): 너무 소량으로 존재함 -> 알려진 것이 거의 없음.

8A족: 비활성기체

헬륨(He) 네온(Ne) 아르곤(Ar) 크립톤(Kr) 제논(Xe) 라돈(Rn)

• 무색의 기체임.

• 화학적 반응성이 매우 작음.

헬륨과 네온은 다른 원소와 결합하지 않음.

• 주기율표의 왼편에 위치함.

• 수은을 제외하면 모두 실온에서 고체임.

• 금속과 연관된 은빛 광택을 냄.

• 일반적으로 부서지지 않고 가공되기 쉬워서 연속된 긴 선으로 뽑거나 감을 수 있음.

• 열과 전기의 좋은 전도체임.

금속

비금속

• 주기율표의 오른편에 위치함. (수소 제외)

• 17가지 비금속 중 실온에서 11가지가 기체이며, 1개 원소는 액체(브로민), 5개 원소는 고체임.(탄소, 인, 황, 셀레늄, 아이오딘)

• 은빛 광택이 전혀 없으며 몇 가지는 진한 색을 나타냄.

• 고체 비금속은 부서지기 쉬워서 가공이 어려우며 열과 전기의 낮은 전도성을

준금속

• 금속과 비금속 사이의 경계선 부근에 있는 9가지 원소 중 7가지 원소임 . (붕소, 규소, 저마늄, 비소, 안티모니, 텔루륨, 아스타틴)

• 은빛을 나타냄.

• 실온에서 고체이지만 부서지기 쉽고 가공이 어려우며 열이나 전기를 잘 전도하지 않는 경향이 있음.

예) 반도체로 사용되는 규소는 전기전도도가 금속과 절연체 사이의 중간 정도임.

2.4 원자론을 지지하는 증거들:

질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙

• 물질은 원자로 구성되어 있다는 개념은 각각의 원자들이 발견되기 전에 과학적인 이론으로 받아들여짐.

보일(Robert Boyle, 1627~1691)

• 기체의 성질과 거동에 대한 일련의 면밀한 연구를 통하여 물질을 구성하는 원자에 대해 분명한 증거를 제공.

• 원소를 더 이상 화학적으로 분해할 수 없는 물질로 정의

• 서로 다른 원소들이 다양한 방법으로 서로 결합하여 수많은 화합물 (chemical compound)이 형성된다고 생각.

프리스틀리(Joseph Priestley,1733~1804)

산화수은(II)(HgO)를 가열하여 산소 기체를 분리함.

2 HgO → 2 Hg + O₂

화학식(chemical formula)

• 화학식은 구성 원소의 기호에 아래 첨자를 이용하여 구성 원자의 개수를 나타냄.

• 만약 아래 첨자가 없으면 숫자 1을 의미.

화학 반응은 화학 반응식(chemical equation)

• 변화를 일으키는 반응 물질을 왼쪽에 적고 만들어지는 생성 물질을 오른쪽에 적으며, 화학 변화 방향을 나타내는 화살표는 둘 사이에 위치.

라부아지에(Antoine Lavoisier,1743~1794)

• 연소와 관련된 주요한 물질이 산소라고 증명함.

• 닫힌 용기 안에서 물질이 연소될 때 연소 생성물의 질량은 출발 물질의 질량과 정확히 똑같다는 것을 조심스런 관찰을 통해 증명함.

질량 보존 법칙(law of mass conservation)

질량은 화학 반응에서 생성되거나 소멸되지 않음.

질산 수은[Hg(NO₃)₂]

3.25 g과 아이오딘화칼륨(KI) 3.32 g이 반응함.

물에 녹이고 그 용액을 섞으면 바로 화학반응이 일어나고 불용성 주황색 아이오딘화수은(II)(HgI₂) 고체를 형성함.

혼합물을 여과하면 아이오딘화수은 4.55 g 물을 증발하면

질산 칼륨(KNO₃) 2.02 g이 생성됨.

(6.57 g) (6.57 g)

일정 성분비 법칙(law of definite proportion)

일정 성분비 법칙

화학적으로 순수한 물질로 구성된 다른 시료들은 항상 동일한 질량비의 원소들을 함유함.

모든 물(H₂O) 시료: 수소 대 산소의 질량비가 1 : 8 임.

11.2 % hydrogen과 88.8 % oxygen으로 구성됨.

모든 이산화 탄소(CO₂) 시료; 탄소와 산소의 질량비가 3 : 8임.

원소들은 불규칙한 비율이 아닌 일정한 비율로 결합함.

프루스트 (Joseph Proust, 1754~1826)

일정 성분비 법칙이라고 알려진 화학의 두 번째 기본 원리를 만들어 냄.

2.5 배수 비례 법칙과 돌턴의 원자론

질소와 산소의 화합물

• NO : 7 g의 질소 당 8 g의 산소 질량비로 결합함.

• NO₂ : 7 g의 질소 당 16 g의 산소 질량비로 결합함.

• NO₂ 는 NO 보다 두 배의 산소를 포함함.

NO와 NO₂에서 N:O비 의 비교

NO에서 N:O 질량비 (7 g N)/(8 g O)

NO₂에서 N:O 질량비 (7 g N)/(16 g O) = = 2 배수 비례 법칙

원소들은 다른 방법으로 결합하여 다른 화합물을 만들고, 서로 다른 화합물에서 원소 간의 질량비는 작은 정수 배를 가짐.

원자론

• 돌턴은 세 가지 법칙, 즉 질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙을 조합하여 물질에 대한 새로운 이론을 아래와 같이 제안.

• 현대 화학의 기초가 됨.

• 원소는 원자(atom)라는 작은 입자로 구성됨.

• 각 원소는 원자의 질량으로 특성을 나타냄. 같은 원소의 원자는 같은 질량을 갖지만 다른 원소의 질량은 다른 질량을 가짐.(프루스트의 일정 성분비 법칙은 원소들이 언제나 특정한 질량비로 결합함 -> 다른 원소들의 원자들 사이에 구별되는 특징은 질량이라고 추론함.)

• 원자들이 작은 정수비로 함께 결합할 때 원소들의 화학적 조합은 다른 물질을 형성함.

원자들이 정수로 결합하여 서로 다른 순수한 화합물을 만들면 항상 동일한 질량비로 원소를 함유함.(일정 성분비 법칙 및 배수 비례 법칙)

• 화학 반응은 원자들이 결합하는 방법을 다시 배열할 뿐 원자 자체는 변하지 않음.

(질량 보존 법칙이 성립하기 위해서는 원자들이 화학적으로 파괴될 수 없음)

2.6 원자 구조: 전자

영국 물리학자 톰슨(J. J. Thompson, 1856~1940);

음극선관(cathode ray tube) 실험으로 음극선은 전자(electron)라고 부르는 작은 음전하 입자로 구성된다고 제안함.

음극선관;

• 전극이라는 얇은 두 조각의 금속을 넣고 공기를 제거하여 밀봉한 유리관임.

• 전극 사이에 충분히 높은 전압을 걸 때 음전하 전극(음극)으로부터 양전하 전극(양극)으로 전류가 흐름. 만약 유리관에 공기나 다른 기체가 존재 시

흐르는 전류는 음극선이라는 빛을 형성함.(음극선은 음의 전극에서 생성되고 양의 전기장 혹은 자기장 쪽으로 휨)

미국인 밀리컨(R. A. Milikan, 1868~1953)

• 전자의 질량을 측정할 수 있는 방법을 고안함.

• 분무판 사이의 전압과 방울의 질량

-> 기름방울의 전하 측정(1.602 176×10^-19 C)

->

=

2.7 원자 구조: 양성자와 중성자

물질은 전체적으로 전기적으로 중성임.

-> 음극선 관의 전극에 있는 원자가 음전하 입자(전자)를 방출한다는 사실은 양전하 입자도 방출된다는 사실을 함유함.

러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)

• 양전하를 가진 입자와 원자 구조의 전체 모습에 관한 연구를 수행함.

• 알파(α) 입자를 사용함.(알파(α) 입자: 방사능 원소에서 방출, 전자보다 7000배 무겁고, 전자 전하보다 두 배 크기의 양전하를 가지며, 부호는 전자와 반대를 가짐)

관측:

• 알파 입자 빔(beam)을 얇은 금박에 쏠 때 대부분의 입자들은 휘지 않고 금박을 통과함.

• 아주 작은 수(20,000개마다 하나 꼴로)의 입자들이 굴절됨.

• 일부는 입자 방출원 쪽으로 되돌아감.

결론:

• 금속 원자는 대부분 빈 공간이고 질량은 핵(nucleus)이라는 작은 중심에 모여 있다고 설명함.

• 대부분 알파 입자들은 금박을 통과할 때 빈 공간을 통과함.(전자가 존재하는)

• 양전하 알파 입자는 작지만 무거운 양전하 핵의 근처를 통과할 때 세게 반발하여

굴절됨.

원자: 전자, 양성자, 그리고 중성자로 구성 러더퍼드와 다른 사람들이 1910~1930년에 실험한 결과 -> 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있다고 제안함.

원자의 질량은 거의 모두 핵에 존재함.

양성자 전하와 전자 전하는 크기는 같고 부호는 반대를 가짐.

-> 중성 원자에서 양성자수 = 전자수

중성자(1.674 972×10^-24 g)

• 양성자 질량과 거의 동일함.

• 전하를 띠지 않음.

• 핵에서 중성자수는 양성자나 전자의 수와 직접 관련이 없음.

2.8 원자 번호

원소들은 그 원자핵에 있는 양성자수에 따라 서로 다름.

• 원자 번호(atomic number,

Z

동일한 원소의 모든 원자들은 원자핵에 같은 수의 양성자(proton)를 포함.

모든 원자 (수소는 예외)의 원자핵에는 양성자 이외에도 중성자를 포함.

원자의 질량수(mass number,

A

Z

N

동위 원소(isotope)

같은 원자 번호를 갖지만 다른 질량수를 갖는 원자들을 말함.

99.985% 0.015% 초미량 존재 동위 원소 표시법:

원소 기호에 질량수를 왼쪽 위 첨자로, 그리고 원자 번호를 왼쪽 아래 첨자로 표시함.

질소의 두 동위 원소

동위 원소에 있는 중성자수:

질량수(위 첨자) – 원자 번호(아래 첨자)

질소-14에서 중성자수 = 14(질량수) – 7(원자번호) = 7

• 원자에서 중성자수는 화학적 성질에 거의 영향을 주지 않음.

• 원소의 화학적 성질은 전자수에 따라 결정됨.

2.9 원자량과 몰

원자의 질량은 일상적으로 사용하기에 너무 작음.

-> 화학자들은 원자 질량 단위(atomic mass unit, amu)를 사용함 (더 정확하게는 통합 원자 질량 단위(unified atomic mass unit, u)를 사용).

(생물학에서는 돌턴 (Dalton, 약자 Da)

1 u를 탄소12 원자량의 1/12로 정의하는 이유

양성자와 중성자의 질량이 각기 거의 정확히 1 u라는 것을 의미함.

원자량(atomic mass)

• 어떤 원자의 원자 질량 단위.

• 그 원자의 질량수와 가까운 수치.

한 원소의 원자량(atomic mass)

자연계에 존재하는 동위 원소들의 존재비를 고려한 동위 원소 질량의 가중 평균값임.

carbon-12: 98.89 % 자연 존재비 12 amu

carbon-13: 1.11 % 자연 존재비 13.0034 amu

몰(mole, 약자는 mol)

눈으로 볼 수 있는 화학 반응에 참여하는 많은 수의 분자 또는 이온을 말할 때 편리한 단위임.

몰질량(molar mass)

어떤 물질 1 mol의 질량을 나타냄.

그 물질의 분자질량이나 화학식량을 그램으로 나타낸 질량임.

서로 다른 원소가 같은 몰수를 가지면 또한 같은 원자수를 가짐.

He, S, Cu, Hg는 1몰을 포함하고 있다.

이들은 모두 같은 질량을 가지는가?

아보가드로수(Avogadro’s number, 약자는

N

• 원소 1몰은 6.022 x 10²³ 개의 원자를 포함함.

• 아보가드로수 만큼의 원자는 1몰이며, 원소의 원자량을 g으로 나타낸 질량을 가지고 있음.

2.10 혼합물과 화합물; 분자와 공유 결합

물질의 분류

혼합물

두 가지 이상 물질이 각 성분 임의의 비율로 화학적 변화 없이 단순히 섞여 있는 물질을 의미함.

화합물(chemical compound) (화학 반응을 통하여 형성됨)

• 여러 다른 원소의 원자들이 특정한 방법으로 결합할 때 형성되는 순수한 물질.

• 구성 원소와 완전히 다른 성질을 갖는 새로운 물질을 의미함.

• 화합물은 항상 일정한 조성을 가지며 구성 단위는 항상 동일함.

예)소듐 원자(무른 은색금속)는 염소 원자(연두색 독성 기체)와 결합하여 염화 소듐(식염)이라는 잘 알려진 고체를 형성함.

화합물이 어떻게 형성되는지를 이해

• 화학 반응 초기에 두 원자가 서로 접근할 때 무슨 일이 일어나는지를 상상.

• 전자는 핵보다도 훨씬 큰 부피를 차지하기 때문에 원자들이 충돌할 때 실제로 접촉하는 것은 전자임 -> 화합물에서 원자들을 서로 붙들어 매고 연결시키는 화학 결합(chemical bond)을 하는 것도 전자임.

공유 결합: 분자

공유 결합(covalent bond)

• 비금속 원자들 사이에 존재함.

• 화학 결합 가운데 가장 보편적인 결합임.

• 두 원자들이 몇 개의 전자를 공유하여 잡고 있으면, 원자들은 서로 결합함.

분자(molecule)

두 개 이상 원자들이 공유결합에 의해 결합되어 생기는 물질 단위임.

예) 염화 수소(HCl) 분자: 수소 원자가 염소 원자와 두 전자를 공유한 결과로 형성됨.

물 분자(H₂O): 두 수소 원자가 한 산소 원자와 두 전자를 공유한 결과로 형성됨.

구조식(structural formula)

• 원자들 사이에 특정한 연결을 보여주며, 화학식만 사용하는 것보다 많은 정보를 제공함.

• 원자 사이에 선을 이용하여 공유 결합을 표시함.

• 탄소 화합물 화학인 유기화학에서 매우 중요함.

몇 가지 원소는 원자보다 분자로 존재

• 수소, 질소, 산소, 플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘은 모두 이원자 분자로 존재함.

• 두 원자가 함께 공유 결합을 형성함.

• 화학 반응식에서 사용할 때에는 이원자 분자로 표시하여야만 함.

2.11 이온과 이온 결합

이온 결합(ionic bond);

• 하나 이상의 전자를 한 원자에서 다른 원자로 옮겨서 생긴 결과로 형성됨.

• 금속과 비금속 사이에 일반적으로 형성됨.

• 소듐, 마그네슘, 아연과 같은 금속 원소는 전자를 주는 경향이 있음.

• 산소, 질소, 염소와 같은 비금속 원소는 전자를 받는 경향이 있음.

이온 결합을 통한 염화 소듐의 형성;

• 소듐 원자는 전자 한 개를 염소 원자에게 주어 이온(ion)이라고 부르는 전하를 띤 두 입자들을 만듬.

• 소듐 원자는 전자 하나를 잃기 때문에 음전하 하나를 잃고 +1 전하를 가진 Na⁺ 양이온(cat-ion)으로 됨.

• 반대로 염소 원자는 전자 한 개를 얻고 음전하 하나를 얻어 -1 전하를 띤 Cl^- 음이온(an-ion)으로 됨.

• 서로 다른 전하는 서로 끌어당기기 때문에 Na⁺ 양이온은 음전하를 가진 Cl^-와 음이온과 강하게 전기적으로 서로 끌어당김으로 이온 결합이 형성됨.

• 독립된 Na⁺Cl^- 분자라고 말할 수 없고 같은 수의 Na⁺와 Cl^- 이온이 규칙적 방식으로 쌓인 이온성 고체 (ionic solid)로 존재함.

다원자 이온(polyatomic ion)

• 전하를 띤 공유 결합 원자들의 집합.

• 공유 결합에 의해 서로 연결된 특정한 수와 종류의 원자들로 구성.

• 전체 단위는 양전하 또는 음전하를 갖고 있으므로 다원자 이온을 전하를 띤 분자라고 생각.

• 이런 이온을 두 개 이상 포함하는 물질의 화학식을 쓸 때는 전체 다원자 단위에 괄호를 사용함. (예; Ba(NO₃)₂)