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여진 준
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1 2 원자, 분자, 이온

2 먼옛날부터러더포드의원자까지 철학 Parmenides (BC 515? BC 445?) : < 있는것 ( 토에온 )> 은있고 < 없는것 ( 토메에온 )> 은없다고하는전제 ( 前提 ) 에서불생불멸 불가분 불변부동이며, 완결된둥근공과비슷하다고하는 < 있는것 > 의속성을끌어내고, < 있는것 > 을우리에게보여주는이성만이진리를포착하며생성 소멸또는변화를믿게하는감각은오류의근원. (1 원론 ) 이오니아학파 (BC 5세기 ) : 불 공기 물 (3원소설) 엠페도클레스 (BC 5세기 ) : 불 공기 물 흙 (4원소설) 변화 <= 불 공기 물 흙 + 사랑, 미움 Early Question: Is matter continuous or noncontinuous? Democritos (BC 4 세기 ) : atomos (noncontinuous) Plato, Aritotle : continuous

(Noncontinuous) George Stahl: 타는물질로부터 Phlogiston 이나온다.

3 먼옛날부터러더포드의원자까지 연금술에서산소까지 16 세기이전 연금술 (Alchemy): 값싼금속으로부터금을만들고자하였던수많은시도 17 세기 Robert Boyle: 정량적인실험을수행하였던첫 화학자 18 세기 "The Skeptical Chemist" 물질은둘또는그이상의더간단한물질로쪼개어지지않는한원소이다. (Noncontinuous) George Stahl: 타는물질로부터 Phlogiston 이나온다. Joseph Priestley: 산소의발견 ( dephlogisticated air. ) 연소에대한많은연구 : 이산화탄소, 질소, 수소, 산소의발견 19 세기 Antoine Lavoisier: 연소이론의확립 ( 산소와결합 ) Law of Conservation of Mass ( 질량보존의법칙 )

4 먼옛날부터러더포드의원자까지 Dalton 19 세기 Joseph Proust: Law of Definite Proportion ( 일정성분비의법칙 ) 주어진화합물에서구성원소의질량비는항상일정하다. 예 ) 이산화탄소에서산소 : 탄소의질량비 = 2.67:1 John Dalton 의생각 : 원자는원소를구성하는입자이다. 화합물은다른종류의원자들이조합하여이루어진다. ( 가설 ) John Dalton : Law of Multiple Proportion ( 배수비례의법칙 ) 두원소가화합해 2 가지이상의화합물을만들때한원소의일정량과화합하는다른원소의질량사이에는간단한정수비가성립한다.

5 먼옛날부터러더포드의원자까지 Dalton Mass of Nitrogen that combinds with 1g of Oxygen Compound A 1.750g 4 Compound B g 2 Compound C g 1 John Dalton의생각 : 원자는원소를구성하는입자이다. 화합물은다른 Case 종류의 1: 원자들이조합하여이루어진다. ( 가설 ) Oxygen John Dalton : Case Law 2: of Multiple Proportion ( 배수비례의법칙 ) Nitrogen 두원소가화합해 2가지이상의화합물을만들때한원소의무한한일정량과조합이가능하지만화합하는다른 Dalton 원소의의가설질량 개개의사원소는특정한이에는원자들로간단한이루어져정수비가있고성립한다화합물은. 원자들의조합으로형성된다. 를뒷받침

6 먼옛날부터러더포드의원자까지 Dalton Dalton 의원자론 1. 각원소들은아주작은입자로구성되어있으며, 이들을원자라부른다. 2. 한원소의모든원자들은질량도같고질량이외의성질도같다. 그러나, 한원소의원자들과다른원소의원자들은다르다. 3. 화학반응에의해한원소의원자가다른원소의원자로바뀌지않는다 ; 화학반응에의해원자들이생성되거나소멸되지않는다. 4. 두원소이상의원자들이결합하면화합물이생성된다 ; 한화합물을구성하는원자들의상대적인수와성질은항상같다

7 먼옛날부터러더포드의원자까지 Faraday 이제사람들은원자의존재를믿게되었다. 원자는어떤모양일까? 1820 M. Faraday: Electrolysis( 전기분해 ) 많은이온의 e/m ( 전하 / 질량 ) 비결정 e/m for H + = 10 8 C/kg

8 먼옛날부터러더포드의원자까지 음극선 1885 E. Goldstein : 양으로하전된아원자입자 (subatomic particle) 1885 Balmer: 수소스펙트럼 1800 중반 : 진공관의음극과양극사이에높은전압을걸어주면음극에서양극으로방전이일어남을관찰. 음극선 (Cathod ray)

먼옛날부터러더포드의원자까지 Thomson 의원자모형 1898-1903 J.

9 먼옛날부터러더포드의원자까지 Thomson 의원자모형 J. J. Thomson: 음극선관실험 (Cathod-ray tube experiment) 음극선의특징은음극물질의종류와관계없이일정하다. 음극선은음전하를띤입자의흐름이다. 전자 (electron) 의발견으로인정 중성의물질에서방출된전자 Plum-Pudding 원자모형

10 먼옛날부터러더포드의원자까지 전자 J. J. Thomson: 음극선관실험 (Cathod-ray tube experiment) F mag = q v x B F el = q E e/m for e - = ~ -1.2x10 11 C/kg ( 현재, 1.76x10 11 C/kg) e/m for H + = 10 8 C/kg 전자는양성자에비해훨씬더큰전하를가지고있거나훨씬적은질량을가지고있을두가지가능성

60 x 10-19 C e - = -1.60 x 10-19 C e/m for e - = -1.

11 먼옛날부터러더포드의원자까지 Millikan 1909 R. Millikan: 기름방울실험 (Oil-droplet experiment) mg = qe q = n x 1.60 x C e - = x C e/m for e - = -1.2x10 11 C/kg m e = 1.3x10-30 kg ( 현재, 9.11 x kg) e/m for H + = 10 8 C/kg m p = 1.2x10-27 kg ( 현재, 1.67 x kg)

12 먼옛날부터러더포드의원자까지 방사능 1896 Henri Becquerel: 우라늄화합물연구중고에너지의방사선이자발적으로방출됨을관찰 => 방사능 (radioactive) 의발견한원자가자발적으로방출하는방사선 Curie 부부 : 방사능, 방사성물질에대한연구 Marie Curie, Pierre Curie, Henri Becquerel => 1903 노벨상공동수상

13 먼옛날부터러더포드의원자까지 방사능 R. Rutherford: 세종류의방사선발견 g-ray: 전하없음 고에너지방사선 b-ray: 음전하의흐름 고속으로방출되는전자 ( 음극선 ) a-ray: 양전하의흐름 ( 전하 = -2 x e -, 질량 = 7400 x m e ) He 의핵

14 먼옛날부터러더포드의원자까지 R. Rutherford 1911 R. Rutherford: a- 입자산란실험 (a- particle scattering experiment) Thomson 모형으로 부터의예상 산란실험의해석 Rutherford 의 원자모형

15 원자구조의현대적관점 1 Å = 10-8 cm, 1 amu = x g, 1 전하 = 1.60 x C 핵 원자

16 원자구조의현대적관점 원자들은어떻게구별되는가? 양성자의개수 탄소 질량수 (= 양성자의개수 + 중성자의개수 ) 원자번호 (= 양성자의개수 ) 12 6C 6 protons 6 neutrons 6 electrons 원소기호 동위원소 (Isotopes) ( 양성자의개수는같으나중성자의개수는다른원자들 ) 13 6C 6 protons 7 neutrons 6 electrons 탄소 -12 탄소 -13

17 원자량 (Atomic Weight) amu 탄소 6 protons 6 neutrons C 12 6 의질량 = x g = 12 amu (atomic mass unit, 원자질량단위 ) 6 electrons amu 의정의 12 C 동위원소의질량을 12 amu 로한다. 각동위원소의질량은 amu 단위로질량수와비슷 1 H 의질량 = amu, 16 O 의질량 = amu

원자량 (Atomic Weight) 원자량 => 원자량 (amu 단위 ) C => 12.011 그러나원자질량이 12.011 인탄소의동위원소는없음?? 자연계에있는각원소는동위원소들이섞여있다. Carbon = 98.93% 12 C 1.

18 원자량 (Atomic Weight) 원자량 => 원자량 (amu 단위 ) C => 그러나원자질량이 인탄소의동위원소는없음?? 자연계에있는각원소는동위원소들이섞여있다. Carbon = 98.93% 12 C 1.07% 13 C <0.01% 14 C C의평균원자질량 = (0.9889)(12amu) + (0.0107)( amu) = amu C의원자량 = amu 동위원소를분리하는것은매우어려운일이므로, 탄소한덩어리는마치 C 처럼느껴진다.

19 원자량 (Atomic Weight) 질량분석기 3 1 질량분석기 : 입자의질량과상대적존재비를매우정확하게측정 => 원자량과분자량계산 Cl의원자량 = amu x (3/4) amu x (1/4) = amu

20 주기율표 (Periodic Table) 주기율표의발전 이름시기업적 Aristotle Antoine Lavoisier Jöns Jakob Berzelius Johann Döbereiner John Newlands ~330 BC ~ 원소설 : 흙, 공기, 불, 물 처음으로 33 원소들에대하여정리하여기록금속과비금속구별 원자량표개발원소의기호화 'triads' 개발 : 원소들을비슷한성질을가진 3 원소의그룹으로만듦 Lithium, sodium & potassium => a triad. Calcium, strontium & barium => a triad. Chlorine, bromine & iodine => a triad. Law of triad: 하나의 triad 에서중간의원자량을가진원소의원자량은다른두원소의원자량의평균이다. 알려진원소들 (>60) 을원자량순으로정리 => 첫번째와아홉번째원소가비슷한성질, 두번째와열번째원소가비슷한성질, 을갖는다는것을발견 =>'Law of Octaves' 제안 from

주기율표 (Periodic Table) 주기율표의발전 이름시기업적 Lothar Meyer Dmitri Mendeleev 1869 1869 56 개의원소로이루어진주기율표편찬.

21 주기율표 (Periodic Table) 주기율표의발전 이름시기업적 Lothar Meyer Dmitri Mendeleev 개의원소로이루어진주기율표편찬. (<= 원자량순으로배열하였을때부피의주기성에근거하여편찬 ) Mendeleev 의주기율표와거의비슷 원자량에근거한주기율표개발.(<= 비슷한성질을가진원소들의주기성을바탕으로개발 ) 알려져있지는않았지만있을것이라고예측한원소의자리는비워둠 ( 예, gallium, scandium, germanium) from org/~ethall/period /period.htm

22 주기율표 (Periodic Table) 주기율표의발전 양성자의발견, 전자의존재, 원자번호의개념이알려지기도전에현재의주기율표와거의비슷한주기율표를만든것은대단한통찰력이다. 원소를원자번호순으로배열하면, 주기적인특성이나타난다.

23 주기율표 (Periodic Table) 현대의주기율표 족 (Group) 앝칼리토금속알칼리금속 원자번호원자기호원자량 칼코겐할로겐불활성기체 ( 희유기체 ) 주기 (Period) 금속 준금속 비금속 족 (Group) 현대의주기율표 : 원소를원자번호순으로배열

24 분자와분자화합물 분자 자연계에서의존재형태 2 원자분자 : H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2 (7 종류 ) 여러개의원자가결합되어있는금속이나분자, 또는이온상태로존재 하나의원자상태로존재 분자화합물 : 두종류이상의원자로이루어진분자 (~ ) 금속 : 무수한금속원자가금속결합하여이루어진집단분자 : 몇개의원자가공유결합하여이루어진집단이온 : 전하를띤하나의원자또는둘이상의원자가결합된집단이전하를띤것

25 분자와분자화합물 화학식 화학식 : 물질의화학적조성을나타낸식 실험식 : 화합물을구성하는각원소의원자개수의최소정수비 분자식 : 분자를구성하는원소의종류와개수를나타낸식 분자식 => 실험식 : H 2 O => H 2 O, H 2 O 2 => HO, B 2 H 6 => BH 3 분자를표현하는방법 분자식 투시도 구조식 공 - 막대모형 공간채움모형

26 이온과이온결합화합물 이온 이온 : 전하를띤하나의원자또는둘이상의원자가결합된집단이전하를띤것 11 p + - e - 11 p + 11 e - 10 e - Na Na + + e - 17 p + 17 p + + e - 17 e - 18 e - Cl + e - Cl - 다원자이온 양이온 (Ex: Na +, Mg 2+, NH 4+ ) 음이온 (Ex: Cl -, SO 4 2- ) 이온전하예측 : 일반적으로원자들은주기율표상에서가장가까이있는희유기체와같은수의전자를가지려는경향이있다.

27 이온과이온결합화합물 이온결합화합물 분자 : 공유결합 (Covalent bond) 에의해형성 ( 전자를공유 ) 금속 : 금속결합 (Metallic bond) 에의해형성 이온결합화합물 (Ionic compound): 양이온과음이온사이의인력에의해형성 Na(s) Cl 2 (g) NaCl(s) 거의대부분 (100% 는아님 ) 이온결합화합물 : 금속원자 - 비금속원자 분자 : 비금속원자 - 비금속원소 11 p + - e - 11 p + 11 e - 10 e - Na Na + + e - 17 p + 17 p + + e - 17 e - 18 e - Cl + e - Cl -

28 이온과이온결합화합물 이온결합화합물 이온결합화합물 ( 이온화합물 ) 구조 : 양이온과음이온이 3 차원적으로배열 화학식 : 단지양이온과음이온의조성비를표시 (NaCl) 이온결합화합물의예측 : 화합물들은전기적으로중성 Na, O로이루어진이온화합물 => Na +, O 2- => Na 2 O Fe, O로이루어진이온화합물 => Fe 3+, O 2- => Fe 2 O 3 => Fe 2+, O 2- => FeO Al, F로이루어진이온화합물 => Al 3+, F - => AlF 3

29 무기화합물명명법 이온결합화합물의이름과화학식 유기화합물 : 탄소를기본으로하는화합물 (H, O, N, S 등을포함 ) 무기화합물 : 그밖의모든화합물 이온결합화합물의이름과화학식 화학식 : 양이온의원소기호 - 음이온의원소기호 (NaCl, MgO, Fe 2 O 3 ) 이름 : 양이온의이름 - 음이온의이름 ( 영어 ) 음이온의이름 - 양이온의이름 ( 한글 )

30 무기화합물명명법 양이온의이름 양이온의이름 a. 금속원자로부터만들어지는양이온은금속과같은이름을갖는다. b. 만일금속이전하가다른두가지이상의양이온을생성하면, 금속이름뒤의괄호안에로마숫자로양전하를표시한다. c. 비금속원자로부터생성되는양이온은 -ium 으로끝나는이름을갖는다.

31 무기화합물명명법 양이온의이름

32 무기화합물명명법 양이온의이름

33 무기화합물명명법 음이온의이름 음이온의이름 a. 단원자음이온은원소이름의끝부분을접미사 -ide (- 화 ) 로바꾼다. 한글표기에서는접미사 - 화 를붙인다. 몇가지간단한다원자음이온도 -ide (- 화 ) 로끝나는이름을갖는다

34 무기화합물명명법 음이온의이름 음이온의이름 b. 산소를포함하는다원자이온 ( 산소음이온, oxyanion) 은 -ate (- 산 ) 또는 -ite ( 아 - 산 ) 으로끝나는접미어를갖는다. 어미의 -ate (- 산 ) 는원소의가장흔하거나대표적인산소음이온에사용하고, -ite ( 아 - 산 ) 은같은전하를갖지만산소가하나적은산소음이온에사용한다. (sulfate ion) 산소가할로젠과결합할때처럼산소음이온의종류가세가지이상으로늘어날때는접두사를사용한다. 접두사 per- ( 과 ) 는 -ate (- 산 ) 로끝나는산소음이온보다산소원자가하나더있을때사용하고, hypo- ( 하이포 ) 는 -ite ( 아 - 산 ) 로끝나는산소음이온보다산소원자가하나적을때사용한다. 아염소산 (chlorite)

35 무기화합물명명법 음이온의이름 음이온의이름

36 무기화합물명명법 음이온의이름 -

37 무기화합물명명법 음이온의이름

38 무기화합물명명법 이온결합화합물의이름과화학식 이온결합화합물의이름과화학식 화학식 : 양이온의원소기호 - 음이온의원소기호 (NaCl. MgO, Fe 2 O 3 ) 이름 : 양이온의이름 - 음이온의이름 ( 영어 ) 음이온의이름 - 양이온의이름 ( 한글 )

39 무기화합물명명법 산의이름과화학식 산의이름과화학식 ( 산 : H + 를내어놓을수있는물질 ) 화학식 : HCl, H 2 SO 4 이름 이름이 -ide 로끝나는음이온의산은 -ide 를 -ic 로바꾼고접두사 hydro- 를붙인다. 한글이름에서는음이온의 - 화를 - 화수소산으로바꾸어준다.

40 무기화합물명명법 산의이름과화학식 산의이름과화학식 ( 산 : H + 를내어놓을수있는물질 ) 이름이 -ate 또는 -ite 로끝나는음이온으로부터만들어진산의이름을붙일때, -ate 로끝나는음이온은 -ic 의접미사로바꾸어주며, -ite 로끝나는음이온은 -ous 의접미사로바꾸어준후 acid 를붙인다. 음이온이름의접두사는산의이름에서그대로유지한다. 한글이름에서는이온을뺀이름을산의이름으로사용한다.

41 무기화합물명명법 산의이름과화학식 산의이름과화학식 ( 산 : H + 를내어놓을수있는물질 )

42 무기화합물명명법 이성분분자화합물의이름과화학식 1. 주기율표상에서더왼쪽에있는 ( 금속에가까운, 전기음성도가작은 ) 원소의이름을대개먼저쓴다. 이규칙에예외가되는것은산소, 염소, 브로민, 아이오딘 ( 플르오린을제외한할로젠원소 ) 화합물의경우이다. 이들화합물에서는산소를마지막에쓴다. 2. 두개의원소가주기율표상에서같은족에속하면, 아래쪽원소를먼저쓴다. 3. 뒤에쓰는원소 ( 전기음성도가큰원소 ) 의이름에 - 화 (-ide) 를접미사로붙인다. 4. 각원소의원자수를나타낼때그리스어접두사를사용한다.

43 간단한유기화합물 탄화수소 : 탄소와수소로만구성된유기화합물이다. 알케인 (alkane): 가장간단한탄화수소 메테인에테인프로페인 알코올 (alcohol): 알케인의 H 원자를 -OH 원자단으로바꾼것 메탄올에탄올프로판올

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슬라이드 1 7 원자의주기적성질 주기율표의발전 2 장 이름시기업적 Aristotle Antoine Lavoisier Jöns Jakob Berzelius Johann Döbereiner John Newlands ~330 BC ~1770-1789 1828 1829 1864 4 원소설 : 흙, 공기, 불, 물 처음으로 33 원소들에대하여정리하여기록금속과비금속구별 원자량표개발원소의기호화