2.3 돌턴의 원자론

제 2 장

2.1 원소, 화합물, 혼합물: 원자 관점에서의 개요 2.2 물질의 원자론으로 유도한 관찰

2.3 돌턴의 원자론

2.4 원자 핵 모형으로 유도한 관찰 2.5 현대의 원자론

2.6 원소: 주기율표와의 첫 만남 2.7 화합물: 결합 입문

물질의 구성

2.1 원소, 화합물 및 혼합물 : 원자 관점에서의 개요

원소 - 물질의 가장 단순한 형태이며, 독특한 물리적, 화학적 성질을 가진다. 원소는 한 종류의 원자로만 이루어진다. 따라서 물리적이나 화학적 방법으로 더 간단한 형태의 물질로 쪼갤 수 없다.

분자 - 둘 이상의 원자들이 화학적으로 서로 결합하여 만들어진 독립적인 구조 단위이다.

그림 2.1

화합물 - 두 개 이상의 원소들이 화학적으로 서로 결합하여 만들어진 물질.

혼합물 - 둘 이상의 물질(원소 혹은 화합물)들이 물리적으로 섞여 있는 것.

2.1 원소, 화합물 및 혼합물 : 원자 관점에서의 개요

화학 반응 중 물질의 총 질량은 변하지 않는다 _.

반응물 1 + 반응물 2

전체질량

생성물

전체질량

=

칼슘 산화물 + 이산화탄소 탄산칼슘

CaO + CO₂ CaCO₃

56.08 g + 44.00 g 100.08 g

질량보존의 법칙

2.2 물질의 원자론으로 유도한 관찰

주어진 화합물은 그 출처가 어떠하든지, 동일한 원소들이 동일한 질량분율로 이루어져 있다.

탄산 칼슘

질량 분석 (grams/20.0 g)

질량 분율 (parts/1.00 part)

질량 백분율 (parts/100 parts) 8.0 g 칼슘

2.4 g 탄소 9.6 g 산소

40% 칼슘 12% 탄소 48% 산소 0.40 칼슘

0.12 탄소 0.48 산소

그림 2.2

일정성분비의 법칙

2.2 물질의 원자론으로 유도한 관찰

두 원소 A와 B가 반응하여 두 종류의 화합물을 만들 때, 동일한 질량의 A와 반응하는 B의 질량들은 간단한 정수비로 표현될 수 있다.

예: 탄소 산화물 A와 B

탄소 산화물 A : 57.1% 산소 와 42.9% 탄소 탄소 산화물 B : 72.7% 산소 와 27.3% 탄소

화합물이 각각 100 g 씩 있다고 하자.

각 화합물 100 g 에서: g O = 57.1 g 산화물 A 와 72.7 g 산화물 B g C = 42.9 g 산화물 A 와 27.3 g 산화물 B

=

g O g C

72.7

27.3 =

2.66 g O/g C in B 1.33 g O/g C in A

2 1

=

배수 비례의 법칙:

탄소 산화물 B

g O

g C =

42.9 =

탄소 산화물 A

두 원소 A와 B가 반응하여 두 종류의 화합물을 만들 때, 동일한 질량의 A와 반응하는 B의 질량들은 간단한 정수비로 표현될 수 있다.

배수비례의법칙

예 _: 탄소 산화물 I &II

탄소 산화물 I : 57.1% 산소와 42.9% 탄소

탄소 산화물 II : 72.7% 산소와 27.3% 탄소

2.2 물질의 원자론으로 유도한 관찰

탄소 산화물 I: g O

g C = 57.1

42.9 = 1.33

g O = g C

72.7 27.3

= 2.66

2.66 g O/g C in I 1.33 g O/g C in II

= 2 1 화합물이 각각 _{100 g} 씩 있다고 하자_. 각 화합물 100 g 에서 :

g O = 57.1 g 산화물 _I 와 _{72.7 g} 산화물 _II g C = 42.9 g 산화물 I & 27.3 g 산화물 _II

탄소 산화물 _{II :}

2.3 돌턴의 원자론

돌턴의 원자론

원자론의 가설:

1. 모든 물질은 원자(atom)로 구성되어 있다; 원자는 매우 작은 분할할 수 없는 원소로써 만들거나 파괴할 수

없다.

2. 한 원소의 원자는 다른 원소의 원자로 바뀔 수 없다.

3. 한 가지 원소의 원자들는 모두 동일한 질량과 성질을 가지며 다른 원소의 원자들과는 다른 성질을 갖는다.

4. 화합물은 다른 원소의 원자들이 특정비로 화학

결합하여 생성된다.

돌턴의 원자론

질량 보존

원자는 새로 생겨나거나 소멸되지 않고 다른 원자로 바뀌지 않는다.

가설 1 가설 ₂ 각 원자 형태가 고정된 질량값을 가지므로,

원자들이 단지 다른 원자들로 다른 비율로 결합하는 화학반응은 질량 변화를 가능케 하지 못한다.

가설 3

2.3 돌턴의 원자설

일정 성분비

화합물은 서로 다른 원자들의 일정한 비율 _{의 결합} 각각은 특정한 질량을 가지고 있으므로

가설 ₄ 가설 ₃ 각 원자는 화합물에서 전체 질량의 일정한 부분을

구성한다.

돌턴의 원자론

배수 비례

원소의 원자들은 같은 질량을 가지며

각각은 나눌 수 없다.

따라서 원소의 원자의 수가 다르게 결합할 때, 이들의 비는 정수비가 되어야 한다.

가설 ₃ 가설 1

2.3 돌턴의 원자설

그림 2.4 음극선의 성질을 측정하기 위한 실험.

2.4 원자핵 모형으로 유도한 관찰

전자와 그 성질에 관한 발견

원자핵의 발견

2.4 원자핵 모형으로 유도한 관찰

그림 2.7 원자의 일반적 특징.

•원자는 전기적으로 중성이며, 양전하를 띤 중심 핵을 음전하를 띤 전자들이 에워싸고 있는 구형의 물체다.

•원자 핵은 양성자와 중성자로 되어 있다.

2.5 현대의 원자론

원자 구조

2.5 현대의 원자론

원소기호, 동위원소, 번호

X = 원소기호

A = 질량수; A = Z + N

동위원소 = 양성자수가 같으나 중성자수가 다른 원소의 원자

A Z

Z = 원자번호 (핵에서 양성자수)

N = 핵에서 중성자수

X

2.5 현대의 원자론

그림 2.9 질량 분석기와 자료

2.5 현대의 원자론

원소의 원자 질량 계산

계획: 두 Ag 동위원소의 질량과 존재비로부터, Ag의 원자 질량 (동위원소 질량들의 평균)을 알아낸다.

문제: 은(Ag, Z＝47)은 46 개의 동위원소가 알려져 있지만, 자연계에는

107Ag와 ¹⁰⁹Ag 두 개만 존재한다. 다음 질량 분석 자료를 이용하여, Ag의 원자 질량을 계산하라:

동위원소 질량 (amu) 존재비 (%)

107Ag

109Ag

106.90509 108.90476

51.84 48.16

예제 2.5

원소의 원자 질량 계산

계획: 두 Ag 동위원소의 질량과 존재비로부터, Ag의 원자 질량 (동위원소 질량들의 평균)을 알아낸다.

문제: 은(Ag, Z＝47)은 46 개의 동위원소가 알려져 있지만, 자연계에는

107Ag와 ¹⁰⁹Ag 두 개만 존재한다. 다음 질량 분석 자료를 이용하여, Ag의 원자 질량을 계산하라:

동위원소 질량 (amu) 존재비 (%)

107Ag

109Ag

106.90509 108.90476

51.84 48.16

풀이:

107Ag의 질량 기여분 = 106.90509 amu x 0.5184

= 55.42 amu

109Ag 의 질량 기여분 = 108.90476 amu x 0.4816

예제 2.5

원자론의 현대적 재평가

1. 모든 물질은 원자(atom)로 구성되어 있다. 원자는 원소의 실체를 보전하는 최소 단위다.

2. 화학 반응에서 한 원소의 원자는 다른 원소의 원자로 바뀔 수 없다.

원소는 오직 핵 반응에서 다른 원소로 바뀔 수 있다.

3. 한 원소의 원자는 동일한 수의 양성자와 전자를 가지고 있으며, 이들이 원소의 화학적 성질을 결정한다. 원소의 동위원소는 중성자수가 달라 질량수가 다르다. 원소의 시료는 마치 평균 질량을 가진 것처럼 취급할 수 있다.

4. 화합물은 다른 원소의 원자들이 특정비로 화학 결합하여 생성된다.

2.5 현대의 원자론

2.6 원소 : 주기율표와의 첫 만남

그림 2.11

이온 결합 화합물의 형성.

한 원소의 원자에서 다른 원소의 원자로 전자가 이동하여 이온 결합 화합물이 생성된다.

2.7 화합물 : 결합 입문

2.7 화합물 : 결합 입문

두 H 원자 사이의 공유 결합 형성.

그림 2.13

공유 결합 : 원소가 전자들을 공유할 때 공유 결합이 형성되며, 보통 비금속 원자 사이에 발생한다.

2.7 화합물 : 결합 입문

2.7 화합물 : 결합 입문

그림 2.16 몇 가지 흔한 원소의 단원자 이온.

어떤 양상을 발견할 수 있는가_?

2.8 화합물 : 화학식, 명명법 및 질량

이성분 이온 결합 화합물 명명법

양이온의 이름은 그 금속의 이름과 같다.

많은 금속의 이름은 윰(륨,늄 등)으로 끝난다.

음이온의 이름은 비금속 이름 어근에 접미사 -화(-ide)를 붙인다.

칼슘과 브롬은 브로민화칼슘(calcium bromide)를 생성한다.

영어에서는 양이온의 이름을 먼저 쓰고 그 후에 음이온을 쓴다.

한글에서는 음이온의 이름을 먼저 쓰고 그 후에 양이온을 쓴다.

2.8 화합물 : 화학식, 명명법 및 질량

일반적인 단원자 이온 표 2.3

H^- 수소화

Na⁺ 소듐

H⁺ 수소

Li⁺ 리튬 F^- 플루오린화

Cs⁺ 세슘

K⁺ 포타슘

Ag⁺ 은

Cl^- 염화

Br^- 브로민화

아이오딘화 I^-

Mg²⁺ 마그네슘

Sr²⁺ 스트론튬 Ca²⁺ 칼슘

Zn²⁺ 아연 Ba²⁺ 바륨

Cd²⁺ 카드뮴 Al³⁺ 알루미늄

1+

2+

3+

양이온

전하 Formula 이름

음이온

전하 Formula 이름

1-

2-

3-

O^2- 산화 S^2- 황화

질화

3-

흔한 이온은파랑색으로 표시했다_.

2.8 화합물 : 화학식, 명명법 및 질량

분자 그림으로부터 식, 이름, 질량 구하기

문제: 각 원은 이성분 화합물의 그림이다. 식과 이름, 분자(화학식) 질량을 써라.

예제 2.16

풀이:

(a) 1개의 갈색 Na⁺에 대해 1개의 녹색 F^-가 존재한다. 즉, 화학식은 NaF이고 이온 화합물이다. 플루오린화 소듐(sodium fluoride).

(b) 1개의 파란 N에 대해 3개의 녹색 F가 존재한다.즉, 화학식은 NF₃이고 공유 결합 화합물이다. 삼플루오르화 질소(nitrogen trifluoride).

예제 2.16

분자질량= (1 x N의 원자 질량) + (3 x F의 원자 질량)

= 14.01 amu + (3 x 19.00) = 71.01 amu 화학식량= (1 x Na의 원자질량) + (1 x F의 원자 질량)

= 22.99 amu + 10.00 amu = 41.99 amu

그림 2.19 혼합물과 화합물의 구별.

2.9 혼합물의 분류

Fe 과 S 가 화학적으로 반응하여 Fe 과 S 의 물리적 혼합물은

혼합물

불균일 혼합물: 구성물 사이에 하나 이상의 눈에 보이는 경계가 있다.

균일 혼합물: 경계가 나타나지 않는데, 이는 구성물이 개별적인 원자, 이온 또는 분자의 혼합물이기 때문이다.

용액: 균일 혼합물은 용액이라고 한다. 용매가 물인 용액은 수용액 이라 하며 화학에서 대단히 중요하다. 보통 용액은

액체라고 여기지만, 세 가지 물리적 상태 모두에서 나타날 수 있다.

2.9 혼합물의 분류