살펴보자. 분자의 화학적 성질은 전자에 의하여 결정된다.

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

원자의 구조에 관하여 살펴보자. 과학자들은 어떤 방법으로 원자의

구조를 밝혔으며, 또한 핵의 발견과 전자의 움직임에 대한 이론도

살펴보자. 분자의 화학적 성질은 전자에 의하여 결정된다.

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. 1800년에 니콜슨과 칼라일의 물을 전기분해)

전기분해

- 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) : 양전하를 가진 전극, 음극(cathode): 음전하를 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

그림 3.1 전기분해장치

톰슨의 실험: 질량 대 전하의 비

1897년 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

3.2 음극선(전자들의 빔)의 휘어짐을 보여주는 톰슨의 장치.

골드스타인의 실험: 양전하를 가진 입자

- 1886년 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 1837배에 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 골드스타 인의 장치

그림 3.4 밀리칸의 기름방울 실험

X-선이 쪼여진 기름방울은 전자를 얻고 음전하를 띠게 된다.

3.2 과학 안의 행운: X-선과 방사능

뢴트겐 : X-선의 발견

- 1895년 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

방사능의 발견

- 1895년 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

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

3.3 방사능의 세 가지 형태

러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871-1937)

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

수소원자의 4배 질량을 가지며, 전자 전하량의 2배 - 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)

: 알파입자를 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. 그 러나 알파입자가 밀도가 높고 양의 전하를 띤 핵 근처를 통과할 때는 알파입자는 굴절된다. 때때로 원자핵과 직접 부딪치는 알 파입자는 온 방향의 반대로 튕겨져 나간다.

3.5 원자핵

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

⇒ 양성자

- 양성자

(proton)

ex) 헬륨 원자핵 = 2+ ⇒ 러더퍼드 이론 : 2개의 양성자를 가짐

⇒ 실제 : 수소의 4배 질량을 가짐

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

⇒ 중성자

(neutron)

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

- 질량수 = 양성자수 + 중성자수

원자번호

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

Z=26 ⇒ Fe

ex) 50개의 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

동위원소의 기호

- 핵자(nucleon) : 2개의 중요한 핵입자인 양성자와 중성자를 통칭 - 동위원소 기호 : Z = 핵의전하(원자번호, 양성자수),

A = 질량수(or 핵자 수)

ex) 양성자수 = 17개, 중성자수 = 35 – 17 = 18개₁₇³⁵

Cl A X

Z

1

1

H

H

H

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 X로 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 ₇ ¹⁴ ₇ ¹⁴ ₆ ¹² ₆

16 8

X X

16

8

,

X X

16

7

,

X X

14

6

,

X X

16

8

,

3.6 전자배치: 보어모형

불꽃놀이와 불꽃시험

- 18세기와 19세기 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 불꽃놀이의 밝은 색은 불꽃 에 첨가된 화합물에서 나온다.

연속 스펙트럼과 선 스펙트럼 연속 스펙트럼

- 백열등의 백색광을 프리즘에 통과시키면 무지개색을 만듦

- 모든 파장이 존재 선 스펙트럼

- 특정한 파장을 가진 빛에 해당

- 원소에 의해 방출되는 선들의 형태

- 한 원소의 선 스펙트럼은 그 원소의 특징임

⇒ 원소를 알아내는 데 쓰임

- 어떤 선들은 적외선, 자외선 지역에서 나타남

그림3.10 태양빛이 빗방울을 통과하여 하늘 에 무지개를 만드는 것처럼 유리 프리즘은 백 색광을 분리하여 연속 스펙트럼, 즉 무지개 색을 만든다.

3.11

선 스펙트럼에 대한 보어의 설명

- 1913년 보어 : 전자가 어떤 에너지라도 갖는 것이 아니라 특정한 양의 에너지만 갖는다고 제안

⇒ 전자의 에너지는 양자화됨

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

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

그림 3.12 원자내부의 에너지준위 사이에서 전자의 이동이 일어나면 스펙트럼에서 보이는 선이 만들어진

그림 3.13 원자핵은 보어가 상상하였듯이 매우 작은 핵에 대부분의 질량을 가진다. 전

바닥상태와 들뜬상태

바닥상태(ground state)

- 가장 낮은 에너지 준위에 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)

예제

3.3 전자껍질 용량

5번째 껍질(5번째 에너지 준위)에 있는 최대 전자 수는?

풀 이

원자의 형성: 주 껍질

- 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 2개는 첫 번째 껍질로 남은 7개 전자는 두 번째 껍질로 들어감

⇒ F : 2 7

3.7 전자배열: 양자모형

전자의 파동성질 이론

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

원자 내에서 전자의 성질 기술 식

: 1920년 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

오비탈 채움에 의한 원자 형성

- 각 전자 오비탈은 최대 2개의 전자를 가짐

- 어떤 껍질은 1개 이상의 오비탈을 가질 수 있음

- 첫 번째 껍질 : 1s-오비탈(구형) _{그림 3.14 원자오비탈}

- 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

그림 3.15 두 번째 주 껍질의 전자 오비탈

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 ⇒ O와 S 모두 가장 에너지가 높은 준위(최외각 껍질)에 4개의 전자를 갖는다.

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) : A족에 있는 원소 - 전이 원소(transition element) : B족에 있는 원소

족의 특징: 최외각 전자의 구조

최외각 전자(valence electron) : 가장 바깥 껍질에 있는 전자 ex) 인의 최외각 전자 ; P ⇒ 3s² 3p³

그림 3.17 최외각 전자구조의 주기율표

같은 족의 원소

알칼리 금속(1A족)

- 최외각 전자구조 = ns¹

- 물과 격렬히 반응하여 수소기체를 발생

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

- 최외각 전자구조 = ns²

- 상당히 부드럽고 물과 적당히 반응

- 아래로 내려갈수록 물과의 반응성이 커짐

(예외: 베릴륨은 단단하고, 물과 반응하지 않음) 할로겐(7A족)

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

불활성기체(8A족)

그림 알칼리 금속인 리튬은 물과 반응하여 수소 기체를 생성함

그림 알칼리 금속인 칼륨은 같은 반응을 훨 씬 더 격렬하게 한다.

예제

3.6 최외각 껍질 전자구조

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

풀 이

a. 스트론튬 ⇒ 2A족(2개의 전자), 5주기(n=5) ⇒ 최외각 전자구조 5s² b. 비소 ⇒ 5A족(5개의 전자), 4주기(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, 요오드), 액체(브롬)

준금속(=반금속)의 특징

: 금속과 비금속의 중간 성질을 가짐

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 부서 지고 낮은 온도에서 녹을 뿐 아니라 좋은 절연체이다.

3장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다 .