3.1 원소 3.2 주기율표에 대한 서론 3.3 화합물과 화학식

Chapter 03 원소와 화합물

3.1 원소

3.2 주기율표에 대한 서론

3.3 화합물과 화학식

3.1 원소 – 원소를 정의하고 원소의 이름이 주어졌을 때 그 원소 기호를 쓸 수 있다

3.2 주기율표에 대한 서론 – 주기율표에서 원소들이 어떻게 배열되어 있는지 설명하고, 이들 원소를 금속, 비금속, 준금속 으로 분류할 수 있다

3.3 화합물과 화학식 – 분자 화합물과 Ion 결합 화합물을 구별하고, 화합물의 화학식을 쓸 수 있다

학습 목표

주기율표(Periodic Table)

Table 3S.1 원소의 주기율표

• 원소(Elements)

. 더 이상 간단한 물질로 나눌 수 없는 근본 물질 – 대부분의 물질은 둘 이상의 더 간단한 물질로 분해 가능

e.g.

. 원소의 최소 단위는 원자(Atom),

* 아원자(Subatomic) 입자 ; 전자, 양성자, 중성자 등 ☞ Figure 3S.2 in p17, Section 5.3 in p96

. 원자(Atom)

화학적 변화로는 더 이상 분해 불가능한 물질 구성의 최소한의 기본 단위 (건축물의 벽돌과 같이 물질을 구성하는 데 있어 기본 단위의 역할)

. 원소 물질은 자연계에서 만들어지거나 실험실에서 합성

- 지금까지 자연에서 발견되거나 합성된 원소의 총 종류는

118

1 ~ 118

- 처음

92

88

4

(

Tc)

(

Pm)

(

As)

(

Fr) –

Pu

- 지구 상에 존재하는 원소 이외의 어떤 다른 원소도 지금까지 조사한 다른 우주 천체에서 발견되었다는 보고는 없다

3.1 원소

핵

Figure 3S.2 원자를 구성하는 아원자 입자들

• 원소의 명명 ☞ 생활 속의 화학>>원소의 이름 짓기 in p56, Table 3.4 in p55 & 생활 속의 화학>>원소명은 어떻게 결정하는가? in p114

1) 대부분 원소의 이름은 원소의 성상을 나타내는 초기

Greek

Latin

German

e.g.

I

=

iodes

(Gr.) =

)

Bi

=

bismat

wismat

weisse masse

(G.) =

)

2) 과학자의 이름으로부터 유래

e.g.

Es

=

Cm

=

3) 발견되거나 합성된 국가, 지역, 실험실(연구소) 등을 따라 명명

e.g.

Ge

=

Bk

=

Cf

=

Lr

=

Lv

=

. 원소 기호(Symbol = Alphabetical Abbreviation; 축약어)

(원소 명명 규칙)

1) 원소의 영문 원래 이름을 한 글자, 또는 두 글자로 줄여 표기^*1

e.g.

H

Hydrogen

☞ Figure 3S.1 주기율표

40

3) 앞서 표기한 원소와 같은 글자로 시작되어 혼동되는 경우 두 번째 글자를 덧붙여 구분, 두 번째 글자는 소문자 표기

e.g.

He

(

Li

)

N

Ne

3.1 원소 (계속)

Figure 3S.3 원소 기호, 원자 번호와 질량 표기법

원자 번호 (Atomic Number)

질량수 (Mass Number)

H

1 1

원소 기호 (Symbol)

H

1

3.1 원소 (계속)

Figure 3S.4 지구 상의 10

Figure 3S.5 인체 구성 주요 원소

• 원소의 분포

. 현재까지

118

88

. 원소의 상(Phase)

1) 상온

(20

C = 293 K)

2

Br

Hg

2) 상온에서 기체로존재하는

11

H

N

F

Cl

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

. 지구 상(지각, 해수, 대기)에 가장 많이 존재하는

10

. 인체 구성 성분 원소 ☞ Figure 3S.5 & Table 3.2 in p54

- 생물학적으로 중요한 원소, 혹은 물질들은

C

H

O

N

- 그 양이 극히 적지만 생명 유지에 필수적인 미량 원소(Minor Elements)들

e.g. Cr

Cu

F

I

Se

★ Must Solve These Individually!

3.2 주기율표에 대한 서론

• 주기율표(Periodic Table)

.

1869

☞ Table 3S.1, 3S.3 & Table 3.5 in p57

. 자연적으로 존재하거나 인공적으로 만들어진 모든 원소의 물리/화학적 성질 변화의 규칙성(주기성)을 토대로 원소 배열

. 주기율표는 그 자체로서 많은 유용한 물리적/화학적 정보 제공, 다양한 화학 현상 분석이 가능하도록 해 준다

. 배열 방법

- 주기율표의 근간 요소 – 족(族; Group, Family), 주기(Period) 1) 족

세로 줄(동일 족)은 화학적 성질과 거동이 유사한 원소 숫자로 이름 붙여진 족명의

2

1 ~ 18, I(A/B) ~ VIII(A/B)

☞ Table 3S.1, 3S.3

2) 주기

가로 줄은 주기를 표현, 줄에 속한 원소의 성질이 우측으로 이동하면서 점차 달라져 줄의 끝에 이르면 한 주기 종료, 그 다음 번호 원소는 첫 줄(족)로 회귀

.

Table 3S.3 원소의 주기율표 – 주기와 족

IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

(Lanthanide Series) (Actinide Series)

VIIIB

내부 전이금속 (Inner Transition Metals)

3.2 주기율표에 대한 서론 (계속)

• 특정한 족의 이름

. 특정 족들은 고유의 이름을 지닌다 – 아래 그림에서 색으로 구분 ☞ Figure 3.3 in p58

e.g.

IA ~ VIIIA

□

. 전이(천이; Transition) 원소 – 가운데 열의 원소들 (옅은 녹색 사각형)

Figure 3.3 주기율표에서 특정한 이름을 가지는 족 - 색으로 구분

Figure 3S.4 지구 상의 10

(Alkali 금속)

전이(천이) 금속

비활성기체(Inert Gases)

주족 Main Groups

(전형 원소)

2

He

1

H

3

Li

Be

B

C

N

O

55

Cs

21

Sc

86

Rn

9

F

Ne

87

Fr

Ra

30

Zn

22

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Ga

Ge

As

49

In

118

Uuo

51

Sb

83

Bi

72

Hf

Ta

W

Ir

Pt

Hg

Fe

Pb

50

Sn

15

P

47

Ag

Cd

40

Zr

89

Ac

57

La

3.2 주기율표에 대한 서론 (계속)

• 금속(Metal)/비금속(Nonmetal)/준금속(Metalloid)

. 족을 따라 명명하는 방법과 달리 원소의 성질을 분류하는 또 다른 체계

. 주기율표 상에서 아래와 같이 분류 Table 3.5 in p57

Table 3.5 주기율표 상 금속, 준금속, 비금속의 분류

3.2 주기율표에 대한 서론 (계속)

• 금속/비금속/준금속

1) 금속

. 상온에서 수은을 제외, 모두 고체로 존재, 대부분의 금속은 높은 융점(Melting Point)과 높은 밀도 보유 . 광택, 열과 전기에 대한 좋은 전도체 (← 핵 주위 궤도의 자유 전자)

. 가공성 ↑; 1) 전성(展性; Malleability), 2) 연성(延性; Ductility)

. 다른 금속과는 거의 화학적으로는 결합하지 않는 것이 일반적, 화합물을 만들기 위해서는 주로 비금속과 결합

^{e.g. O}

Cl

S

. 구리, 금, 은 등 일부 금속은 자연 상태로 발견,

놋쇠(황동; Brass), 청동(Bronze), 강(Steel), 철(Iron) 등은 사용 목적에 따라 인위적으로 혼합한 합금(Alloy)이라 불리는 균일한 혼합물

2) 비금속

. 비광택, 융점, 밀도↓, 열/전기 전도성↓

. 다른 비금속과 결합, 분자 화합물 형성

(e.g. CO

CH

C

H

SO

)

(e.g. NaCl

AgCl

TiN

ZrO

)

C

N

O

S

3) 준금속

. 금속과 비금속의 중간 물성

e.g. B

Si

Ge

As

Sb

Te

Po

. Si과 Ge은 반:도체(Semiconductor)로 분류,

B

As

Sb

3.2 주기율표에 대한 서론 (계속)

심화 예제 3.2 in p58

실습 문제 3.2 in p59

다음에 해당하는 원소 기호를 쓰시오.

(a) 금속 원소 5 가지

(b) 상온에서 액체인 원소 2 가지

(c) 비활성 기체를 제외하고 상온에서 기체인 원소 2 가지

실습 문제 3.3 & 4 in p60

★ Must Solve These Individually!

연습 문제 3.1

다음 원소 중 어떤 것이 금속인가? - Na,

Mo

Cl

S

Mg

Pt

Kr

I

C

Cu

Na

Mo

Mg

Pt

Cu

3.2 주기율표에 대한 서론 (계속)

• 원소의 자연적인 거동

. 대부분 원소는 (화학적으로) 반응하여 다른 원소와 결합하려는 경향 → 화합물 생성 예외) 자연에서 순수한 형태로 존재하는 원소를 찾기는 쉽지 않다

Au

Ag

Pt

. 공기는 구성하고 있는 성분 기체로 나눌 수 있는데, 주로

N

O

• 이원자 원소(이원자 분자; Diatomic Molecule)

.

2

7

• 원소 기호의 용도

1) 원소의 정체성 표기

2) 원소로 이루어진 분자의 성분비, 화합물의 원소 성분비를 표현 (성분비는 숫자와 함께 자연수 비로 표현)

Table 3.6 이원자 분자로 존재하는 원소

3.3 화합물과 화학식

• 화합물(Compound)

. 두 가지 이상의 원소가 일정한 질량비^*1로 화학적으로 결합하여 이루어진 물질 (알려진 것만 5,000만 종 이상)

*1 화학양론(量論; Stoichiometry) ☞ Chapter 9.1 ‘화학양론 소개’ in p192

e.g.

H

O

“반드시

2

1

1

☞ Figure 3.7 in p62

. 원소와 달리 더 간단한 물질(화합물, 또는 원소)로 화학적 분해 가능

. 화합물을 구성하는 각 원자들은 반드시 자연수 비로 결합, 분수 비로는 결합하지 않는다^*2

e.g.

H

O

Na

Cl

*2 이 원칙은 결함(Defect)이 없는 물질의 경우에만 해당되는데, 여러 원소가 화학적으로 결합하는 경우 자연계에 존재하는 대부분의 고상 물질에는 확률적으로 결정 결함이 존재, 따라서 자연수 비에 맞지 않는 물질이 가능

Figure 3.7 물 분자의 원자 수의 자연수비

3.3 화합물과 화학식 (계속)

• 분자 화합물(Molecular Compound)과 Ion 결합 화합물(Ionic Compound)

. 화합물의 2 가지 양상; 1) 분자 화합물, 2) Ion (결합) 화합물 1) 분자 화합물 ☞ Figure 3.5 & 3.6 in p61

- 분자는 둘 이상의 원자가 가전자를 서로 나누어 소유하는 (공유)결합에 의해 형성된 전하를 띠지 않는 가장 작은 화합물로서 그 자체로서 ‘화합물’의 뜻을 내포하고 있다

e.g. H2

O

2) Ion 화합물 ☞ Figure 3.5 & 3.6 in p61

- 양전하(Positive Electric Charge)와 음(Negative)전하를 띤 Ion^*1들이 서로 만나 Ion 사이에 발생하는 정전기력(Electrostatic Force)에 의해 Ion 결합을 이루어 형성된 화합물 ☞ Section 5.2 in p96

e.g. 식탁염(소금) NaCl(Sodium Chloride, 염화 Sodium)

Na

Cl

← Na

+ Cl

O

← 2H

+ SO

*1 양/음의 전하를 띤 Ion을 각각 Cation/Anion이라고 부르는데, Ion은 원자, 또는 원자가 여러 개 모인 원자단일 수도 있다

*2 화학양론(量論; Stoichiometry)에 의거, Sodium Ion과 염소 Ion의 비를 1:1로 표기 ☞ RA p61“이온 결합 화합물이……간단한 비율로 나타낸다.”

Figure 3.5 분자 화합물과 Ion 결합 화합물

3.3 화합물과 화학식 (계속)

Table 3S.4 황산의 구성 성분과 성분비

H S O 1 개 분자 내 원자의 총수

Figure 3S.6 Ca(NO

)

• 화합물의 화학식 쓰기

. 화학식(Chemical Formula)은 화합물을 간단하게 표기하기 위한 약식 표현 ^*1 더 상세/확장된 학문적(화학적)으로 체계화된 명명법 ☞ Chapter 6 in p112

. 화합물을 구성하고 있는 1) 원소의 종류(정체), 2) 각 원소(원자)의 존재 비율을 나타낸다 원소의 종류는 주기율표에 수록된 영문 글자(Alphabet) 표기로서 나타내며,

존재 비율은 자연수 비로서 표현한다 ( →

Alphabet

^e.g.1

H

O

NaCl

e.g.2

H

SO

e.g.3

Ca(NO

)

. 황산의 경우

가능한 황산의 화학식

HHSOOOO

H

SO

=

H

S

O

원소 기호 다음의 아래 첨자(Subscript)는 각 구성 성분 원소의 개수를 의미 (

1

1

. 질산 Calcium(Calcium Nitrate) –

Ca(NO

)

한 단위로 묶인 원자단

(

NO

)

cf.

NaNO

1

.

H

O

H

SO

Ca(NO

)

C

H

O

Table 3S.4의 빈 자리를 채워라.

3.3 화합물과 화학식 (계속)

연습 문제 3.3

다음 분자 안에 몇 개의 원소가 있는지 답하라.

(a) K

PO

(b) Mg(OH)

실습 문제 3.5 in p63

(a) KBr (b) PbCl

(c) CaCO

(d) Mg(OH)

연습 문제 3.4

다음 화학식을 읽고 각각의 한 분자 안에 몇 개의 원자가 존재하는지 답하시오.

(a) NaCl (b) MgO (c) Ba(NO

)

(d) C

H

O

심화 예제 3.3

in p563

3.3 화합물과 화학식 (계속)

• 화합물의 조성(Composition)

. 조성(성분비)

어떤 재료에 두 가지 이상의 성분이 섞여 있을 때 각 성분의 함량을 이르는 단어 e.g.1 H2

O의 조성은 H 11.2%, O 88.8%

e.g.2 H

O

(과산화수소)의 조성은 H 5.9%, O 94.1%

. 자연 법칙(Natural Law) – 자연에서 관찰되는 일반적인 사실

- 다음의 화합물의 조성과 관련된 두 가지 자연 법칙들은 화학의 근간을 이루는 법칙

1) 일정 성분비 법칙(Law of Definite Composition) 2) 배수 비례 법칙(Law of Multiple Proportions)

. 일정 성분비 법칙

둘 이상의 원소로 이루어진 화합물을 구성하는 원소의 질량비는 항상 일정

e.g.

H

O

H

O

(즉, 특정 물질의 성분비는 그 유래가 무엇이든 어떠한 방법으로 형성되었는지에 상관없이 항상 일정)

. 배수 비례 법칙

두 가지 이상 원소의 원자는 다른 비로 결합하여 두 가지 이상의 서로 다른 화합물을 형성할 수 있다

(같은 원소들로 형성된 물질이라도 그 성분비가 서로 다른 화합물은 각각의 고유한 특성 보유) ☞ Table 3.7 in p64

Table 3.7 동일 성분 원소로 이루어진 두 가지 이상의 화합물 예