General Chemistry I (Chapter 2 1) Atoms, Molecules & Ions Tae Kyu Kim Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr) http://plms.pusan.ac.kr 1 Questions? 일정성분비의법칙이란무언인가? 주어진화합물내에서원소들의질량비가항상동일함 배수비례의법칙이란무엇인가? 두원소가서로다른일련의화합물을형성할때, 첫번째원소 1g 과결합하는다른원소의질량비는항상간단한정수 원자는무엇으로이루어져있는가? 전자 + 핵 ( 양성자 + 중성자 ) 전자수는같지만질량수가다른것을무엇이라하는가? 동위원소 2
Terminology 질량보존의법칙 : law of conservation of mass 일정성분비의법칙 : law of definite proportion 배수비례의법칙 : law of multiple proportion 전자 : electron 방사능 : radioactivity 핵 : nucleus 양성자 : proton 중성자 : neutron 원자번호 : atomic number 질량수 : mass number 동위원소 : isotope 3 Atom & Molecule ATOMS MOLECULES MATTERS 4
Elements & Compounds 5 Elements & Compounds 6
Early history of chemistry A. Demokritos (B.C. 460-370) 물질은쪼개질수없는작은입자가모여된것 이궁극적인입자를 atomos ( 나중에 atoms 가됨 ) 라고함 B. Alchemy ( 연금술 ) 값싼금속을금으로변화시킬수있다는생각 2000 년간지속, but 화학의진보 C. Boyle (1627-1691) 진정한의미의정량적인실험을최초로실시 공기의압력과부피의관련성을측정 어떤물질이두가지이상의더단순한물질로분해되지않는다면그물질이바로원소 7 Fundamental chemical laws A. 질량보전의법칙 : Lavoisier (1743-1794) 연소반응을최초로규명 물질은창조되지도, 소멸되지도않음 ( 질량보존의법칙, law of conservation of mass) 을주장연소과정에서산소가관여하고, 생명현상에도산소가포함된반응이중요 8
Fundamental chemical laws B. 일정성분비의법칙 : Proust (1754-1826) 주어진화합물내에서원소들의질량비가항상동일함을알아냄 ( 예 : 탄산구리에서구리, 산소, 탄소의질량비는 5.3 : 4 : 1로일정 ) 화합물이일정한조성을가짐 ( 일정성분비의법칙, law of definite proportion) 9 Fundamental chemical laws C. 배수비례의법칙 : Dalton (1766-1844) 원소들을이루는입자는바로원자 ( 원자론 ) 만일원소가작은입자로구성되어있다면, 특정화합물내에있는원자들의조합은항상일정 화합물 II 가화합물 I 에비해탄소 1g 당두배의산소를갖고있음을알아냈는데이것은원자의개념으로쉽게설명가능 배수비례의법칙 (law of multiple proportion) ( 두원소가서로다른일련의화합물을형성할때, 첫번째원소 1g 과결합하는다른원소의질량비는항상간단한정수 원자들간의가장근본적인차이점은질량이라고가정하고, 원자의상대질량표를최초로만듦 10
Fundamental chemical laws D. 배수비례의법칙의예 A, B, C 가갖는질소의질량비는 4 : 2 : 1 상대질량자료로부터화합물의정확한화학식을유도할수는없었음 각원소가일정원자로이루어지고, 각화합물은이러한원자의조합으로형성된다는그의가정을뒷받침 11 Dalton s atomic theory A. Dalton 의원자론 1. 각원소는원자라고하는작은입자로이루어짐 2. 한가지원소의원자는모두동일 ( 질량및다른성질 ) 3. 화합물은다른원소의원자들이서로결합함으로써형성됨 4. 화학반응은원자들이재편성되는과정 ( 원자는변하지않음 ) 원소 vs. 원자 = 종류 vs. 갯수 12
Dalton s atomic theory B. Dalton 의원자론의문제점 1. 기체반응의법칙 13 Dalton s atomic theory B. Avogadro 의가설 ( 분자가설 ) 동일한온도와압력조건에서동일한부피속에존재하는기체입자의수는기체의종류와상관없이일정기체입자간의거리가입자크기에비해월등히클경우 => 기체의부피는입자의크기가아니라분자수에의해결정 분자수준의기체결합방식의도시 수소 2 부피와산소 1 부피가반응하여수증기 2 부피가된다는 Gay-Lussac 의실험결과는수소 2 분자와산소 1 분자가반응하여수증기 2 분자를만드는것으로설명가능 이실험결과는수소, 산소, 염소가 H 2, O 2, Cl 2 라고가정하면잘설명 14
Dalton s atomic theory 15 Early experiments to characterize the atom A. Electron ( 전자 ) 진공관에높은전압이가해지면 광선 이발생하는것을발견 이광선은음극에서방출되므로음극선 (cathode ray) 로명명 광선이음으로대전된입자, 즉전자의흐름이라고생각 e 는전자의전하량 ( 쿨롱단위, C), m 은전자의질량 (g) 전자의전하 / 질량 16
Early experiments to characterize the atom B. Thomson 의원자구조설명 전자가다양한종류의금속전극으로부터발생될수있으므로모든원자는전자를갖고있어야한다고추론 원자는전기적중성 => 원자는양전하포함 퍼져있는양전하구름에음전하를띤전자가무질서하게박혀있는모양으로원자의구조를제안 17 Early experiments to characterize the atom C. Millikan 의전자전하량측정 대전된기름방울이용하여전자의전하량측정 측정한전하량값과 Thomson 이측정한전하 / 질량비를이용하여전자의질량이 9.11x10-31 kg 이라계산 이전압과기름방울의질량을사용하여기름방울이띠는전하를계산기름방울이띠는전하량은언제나전자의전하의정수배. 18
Early experiments to characterize the atom C. Radioactivity ( 방사능 ) 일부원소들로부터높은에너지의방사 (radiation): 방사능 (radioactivity) 라부름감마선 ( 빛의일종 ), 베타입자 ( 빠른속도의전자 ), 알파입자 (2+ 의전하와전자질량의 7300배의질량 ) D. Atomic structure (Rutherford 실험 ) 대부분의알파입자는똑바로박막을관통해지나갔지만, 많은입자들이큰각도로굴절되거나검지기에도달하지못하고반사 19 Early experiments to characterize the atom 20
Early experiments to characterize the atom 알파입자들이크게굴절되려면원자의질량과양전하가중앙에집중되어있어야만가능 굴절된알파입자들은원자의양전하와질량이집중된영역을가까이지나간경우이고, 반사되어튕겨져나온입자들은정통으로중심부에충돌한것핵 (nucleus) 이있고, 핵의지름에비해매우먼거리를떨어져핵주위를돌고있는전자로구성되어있는원자 21 Modern view of atomic structure A. 원자구조 22
Modern view of atomic structure B. 원자 vs. 화학적성질 서로다른원소의원자들은양성자와전자의수가다르기때문에서로다른화학적특성을나타냄 전자는원자부피의대부분을차지하고있으며, 원자가결합하여분자를이룰때 서로섞이는 부분 어떤원자가갖는전자수는다른원자와상호작용하는능력에큰영향 질량수 (mass number) = 양성자 (proton) 수 + 중성자 (neutron) 수 원자번호 (atomic number) = 양성자 (proton) 수 = 전자수 23 Modern view of atomic structure C. Isotope ( 동위원소 ) 중성자의수가서로다른원자가존재 ( 동위원소 ) 동일한수의양성자를가지고있지만, 다른수의중성자를가지고있음원자의화학적특성은그전자에의하여결정되기에동위원소들은거의동일한화학적특성갖음 24
25 Summary 기본적인화학의법칙질량보전의법칙 : 화학반응전 / 후의총질량은일정일정성분비의법칙 : 화합물내원소들의질량비는일정배수비례의법칙 : 한원소와결합하는다른원소의질량비는정수 Dalton 의원자론화학반응 : 원자들의재편성과정 Avogadro 가설 : 같은온도, 압력, 부피에서입자수는일정원자에대한초기실험들 Thomson 의원자모델 : 전자 + 양전하구름 Rutherford 의원자모델 : 전자 + 핵 원자구조에대한현대적관점원자 : 핵 ( 양성자 + 중성자 ) + 전자질량수 : 양성자수 + 중성자수 26
General Chemistry I (Chapter 2 2) Atoms, Molecules, & Ions Tae Kyu Kim Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr) http://plms.pusan.ac.kr 27 Review (2.1 2.3) 기본적인화학의법칙질량보존의법칙 : 화학반응전 / 후의총질량은일정일정성분비의법칙 : 화합물내원소들의질량비는일정배수비례의법칙 : 원소와결합하는원소의질량비는정수 Dalton 의원자론화학반응 : 원자들의재편성과정 Avogadro 가설 : 같은온도, 압력부피는분자수에비례 원자에대한초기실험들 Thomson 의원자모델 : 전자 + 양전하구름 Rutherford 의원자모델 : 전자 + 핵 원자구조에대한현대적관점원자 : 핵 ( 양성자 + 중성자 ) + 전자질량수 : 양성자수 + 중성자수 28
A. Formation of Molecule Chemical Bonding B. Ionic Bonding ( 이온결합 ) 금속 + 비금속 C. Covalent Bonding ( 공유결합 ) 비금속사이 D. Periodic Table ( 주기율표 ) E. 화합물의명명법은? Questions? 29 2.4 주기율표 periodic table 주기 period 족 group(family) 금속 metal 비금속 nonmetal 준금속 metalloid 알칼리금속 alkali metal 알칼리토금속 alkaline earth metal 할로겐 halogen 불활성기체 noble(rare) gas 2.5 분자 molecule 이온 ion 양이온 cation 음이온 anion Terminology 2.6 화학식 chemical formula 분자식 molecular formula 구조식 structural formula 실험식 empirical formula 이온결합 ionic bonding(bond) 2.7 산 acid 염기 base 유기화합물 organic compound 무기화합물 inorganic compound 탄화수소 hydrocarbon 30
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Molecules and ions A. Chemical bonds ( 화학결합 ) 화합물내에서원자들이붙어있도록잡아두는힘 B. Covalent bonds ( 공유결합 ) 전자를공유하여형성된원자사이의결합 C. Molecule ( 분자 ) 공유결합으로형성된원자의집합체 분자로이루어진화합물에서각분자는독립적인단위체로움직임 D. Chemical formula ( 화학식 ) 원자의종류를원소기호로, 원자들의수를아래첨자로나타내는분자를표현하는방법예 : 이산화탄소 (CO 2 ), 수소 (H 2 ), 물 (H 2 O), 산소 (O 2 ), 암모니아 (NH 3 ), 메테인 (CH 4 ) 33 Molecules and ions E. Structural formula ( 구조식 ) 각결합을선으로표현하는분자를표현하는방법 공간채움모형 (space-filling model): 원자들의상대적인위치뿐아니라, 상대적인크기도나타낼수있는분자의구조식을나타내는방법공-막대모형 (ball-and-stick model): 원자를공으로공유결합을막대로나타낸분자의구조식을나타내는방법 34
Na Na + + e - Cl + e - Cl - 35 F. Ion ( 이온 ) Molecules and ions 양전하 ( 양이온 ) 또는음전하 ( 음이온 ) 를띠는원자또는원자단 F. Ionic bonds ( 이온결합 ) 반대로대전된이온간에작용하는인력에의해형성된결합 Molecules and ions 이온성고체 (ionic solid) 또는염 (salt): 상반된전하를띠는이온으로형성된고체. 예 : NaCl ( 염화소듐 ), NH 4 NO 3 ( 질산암모늄 ) NH 4 NO 3 는 NH 4+ ( 암모늄이온 ) 과 NO 3- ( 질산이온 ) 과같은다원자이온으로구성 36
Ionic Bonding 37 Strength 2e 10e 18e 38
Covalent Bonding Covalent bonds form when elements share electrons, which usually occurs between nonmetals. 39 Covalent Bonding 40
Introduction to the periodic table A. Periodic table ( 주기율표 ) 41 Introduction to the periodic table 각원소기호위쪽의숫자는그원소의원자번호 ( 양성자수 ) 굵은선왼쪽아래는금속, 굵은선오른쪽위는비금속, 경계에는준금속 비금속은금속과의반응에서전자를얻어음이온을형성하려는경향 B. Group or family ( 그룹또는족 ) 유사한화학적성질을갖는원소들은동일한수직열 ( 그룹 (group) 또는족 (family)). 족을표시할때에는두가지방법 : 1A 에서 8A 까지의기호는전통적인표기법 1 에서 18 까지표기하는방식은최근에제안된것이책에서는 1A~8A 의표기법사용 42
Introduction to the periodic table 알카리금속 (1A 족 : Li, Na, K): 매우높은반응성. 다른비금속과반응하여쉽게 +1 의전하띠는이온형성. 알카리토금속 (2A 족 : Be, Mg, Ca): 비금속원소와반응할때, 모두 +2 의전하를띠는이온형성 할로겐 (7A 족 : F, Cl, Br, I): 이원자분자를형성하며, 금속과반응하여염을이룰때는 -1 의전하를띠는음이온형성 불활성기체 (8A 족 : He, Ne, Ar): 단원자기체로존재. 화학적반응성거의없음 C. Period ( 주기 ) 주기율표에서수평행을주기 (period) 라고함 H 와 He 이있는첫번째행을 1 주기 Li 부터 Ne 까지의두번째행을 2 주기 43 Naming simple compounds A. 이성분이온결합화합물 ( 형태 I) 금속들이한종류의양이온만을형성 1. 음이온먼저, 양이온나중 2. 양이온은원소의이름을그대로사용 3. 음이온은어근에 화 를붙임 44
45 Naming simple compounds NaCl 염화소듐 MgO 산화마그네슘 B. 이성분이온결합화합물 ( 형태 II) 금속들이두가지이상의양이온을형성 MnO 2 PbCl 2 산화망가니즈 (IV) 염화납 (II) 전이금속이지만, 한종류의양이온만가능 46
Naming simple compounds C. 로마숫자가불필요한원소 +1 이온만을형성하는 1A족원소 +2 이온만을형성하는 2A족원소 Al 3+ 만이가능한알루미늄 아연, 카드늄화합물도로마숫자사용않음 ( Zn 2+, Cd 2+ 이온만이가능 ) 은의경우는전이금속이지만거의모든화합물에서 Ag + 로발견되므로로마숫자사용않음 ( 예 : AgCl: Silver chloride) 47 Naming simple compounds D. 다원자이온을갖는이온결합화합물암기 두종류산소원자가많은것 : -ate 산소원자가적은것 : -ite 두종류이상산소원자가가장적은것 : hypo- 산소원자가가장많은것 : per- 48
Naming simple compounds E. 이성분공유결합화합물 ( 형태 III) 1. 양이온을원소이름그대로먼저부름 2. 두번째원소를음이온부르듯이부름 3. 원자의개수는접두어를붙여사용 4. 첫번째원소에는 mono- 를사용하지않음 o 또는 a 는원소가모음로시작할때표기하지않음 N 2 O Dinitrogen monoxide Nitrous oxide NO Nitrogen monoxide Nitric oxide NO 2 Nitrogen dioxide N 2 O 3 Dinitrogen trioxide N 2 O 4 Dinitrogen tetroxide N 2 O 5 Dinitrogen pentoxide 49 Naming simple compounds 일부화합물들은체계적이름을사용하지않고항상일반명칭을사용 ( 예 : water, ammonia) 50
Naming simple compounds F. 이름으로부터화학식결정하기 Calcium chloride Ca 2+ + Cl - CaCl 2 ( 전기적중성고려 ) Iron(II) oxide Fe 2+ + O 2- FeO ( 전기적중성고려 ) G. 산 음이온이산소를갖고있지않다면분자의이름을쓴후음이온에 hydro- 를접두사로, -ic 을접미사로붙이고 acid 를붙임 HCl 수용액 : hydrochloric acid HCN 수용액 : hydrocyanic acid H 2 S 수용액 : hydrosulfuric acid 음이온이산소를갖고있으면 ic, 또는 ous 를붙이고 acid 를붙임 1. sulfate SO 2-4 와같이 ate로끝나는음이온을포함하면 sulfuric acid phosphate => phosphoric acid, acetate => acetic acid 2. 음이온이 ite로끝나면 ous로대치함 (sulfite SO 2-3 => sulfurous acid, nitrite => nitrous acid) 51 Naming simple compounds 52
Summary 분자와이온공유결합 : 전자를공유하여형성된원자사이의결합이온결합 : 이온간에작용하는인력에의해형성된결합분자 : 공유결합으로형성된원자의집합체 주기율표에대한소개금속, 비금속 : 원자가양이온 or 음이온으로되려는경향족 ( 그룹 ) vs. 주기 : 주기율표상의세로 vs. 가로 간단한화합물의명명법이성분이온결합화합물 : NaCl, sodium chloride 이성분이온결합화합물 : MnO 2, manganese(iv) oxide 이성분공유결합화합물 : N 2 O 3, dinitrogen trioxide 53 54