제 1 장. 원자와분자의구조 1-0. 학습개요 화학 (Chemistry) 은수학이나다른과학과마찬가지로이전에학습한정보를기반으로학습이이루어진다. 따라서일부학습과제 (lessons) 의학습을위해서이전의과학이나화학에서학습한내용을복습할필요가있다. 이책에서는복습을위한사이트들이제공된다. 학습목표 (Objectives) 제1장의학습을마치면다음내용을알게될것이다. 원자번호, 원자질량과주기율표에서의위치사이의관계 주기율표에서의금속, 준금속, 비금속, 할로겐의위치 주기율표에서의알칼리금속, 알칼리토금속, 전이원소찾기 주기율표에서란탄니드, 악티니드, 초악티니드찾기 초우라늄원소는인공원소이다. 주기율표의위치에따른이온화에너지와전기음성도의변화 주기율표의좌에서우로또위에서아래로이동함에따른원자와이온의크기변화 화학결합에이용가능한전자의수 원자질량의대부분을차지하는것 주기율표에서양자적전자배치를결정하는방법 원소와원소사이의반응방법 - 1 -
하이퍼링크자료의활용 이디지털북에는일반교과서와는달리전문용어에대해자세한설명을제공해주는하이퍼링크와특정내용에관한추가학습을가능하게해주는하이퍼링크가포함되어있다. 다음은이들하이퍼링크의예들로이를클릭하면영어로된텍스트나동영상자료가열린다. 교사의수업준비나학생의영어및화학심화학습에이를활용할수있다. Ÿ 원자의핵은양성자 (Protons) 와중성자 (Neutrons) 로구성되어있으며, Ÿ 핵분열 / 융합퀴즈 -> Click here for a Fission/Fusion Quiz. Ÿ 자연핵변환 -> Natural Transmutations (9:11) # 이사이트의자료는 PDF파일형태이므로이들하이퍼링크를사용할수없습니다. 다만사이트주소가주어진것은이를웹브라우저에기입하여검색할수있습니다. 하이퍼링크사용이가능한파일을받고싶은분은 www.kieschool.org나 www.is4se.net사이트에회원가입 (register) 을하신다음간단한자기소개와이들사이트에대한간단한소견을아래이메일주소로보내주시면검토후이파일을무료로발송해드립니다. leewhakuk@gmail.com - 2 -
1-1. 원소주기율표 원소 (element) 들중일부는다른원소들과비슷한성질을가지며, 이원소들은원소주기율표 (Periodic Table) 에서같은그룹에배치되어있다. 아래그림에현대적인원소주기율표가나타나있다. [ 출처 : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/84/periodic_table.svg.] [ 원소주기율표 ] 원소주기율표는우주를구성하고있는모든원소들을포함하고있는표이다. 이에대해서는나중에더설명하기로하고우선뒤로돌아가기초적인화학의원리몇가지를복습해보자. 화학 (Chemistry. 化學 ) 은물질의구조와변화를연구하는학문이다. 그렇다면물질이란무엇일까? 물질 (matter) 은우리가보거나, 만지거나, 느끼거나, 냄새맡을수있는나무, 돌, 물, 공기등과같이이름을가지고있는모든것이다. 사실우주의모든것이물질로만들어져있다. 과학자들은물질을질량 (mass) 이가지며공간 (space) 을차지하고있는모든것으로정의한다. 물질은 4가지즉고체 (solid), 액체 (liquid), 기체 (gas), 플라즈마 (plasma) 상태로존재한다. 또물질은색이나냄새같은물리적성질 (physical properties) 과산소와얼마나질반응하는가와같은화학적성질 (chemical properties) 을가진다. 아울러물질은물리적또는화학적변화를일으킬수있다. 물질은원소 (elements) 로구성되어있고이원소는다시 - 3 -
원자로이루어져있다. 원자 (atom) 는어떤원소의성질을유지하고있는가장작은입자이다. [ 참고 : http://science.howstuffworks.com/atom.htm] 그러나이원자도더작은것들로구성되어있는데이들은전자 (electrons), 양성자 (protons) 와중성자 (neutrons) 로 [ 참고 : http://education.jlab.org/atomtour/] 이들입자에대해서는중학과학시간에이미학습했을것이다. 여러분이혹시알지도모르지만과학자들은원자를구성하고있는더작은쿼크 (quarks), 핵자 (nucleons: 뉴클레온 ) 등의소립자를발견했지만화학자들은이소립자보다는전자-양성자-중성자와이들의배치에관심을가진다. 왜냐하면이들의배치가우주를구성하고있는각원소들이고유한성질을결정하기때문이다. 즉, 어떤원자에포함된전자, 양성자와중성자의수가그원자를다른원자와구별되는고유한것으로만들어준다. 현재까지 118 종류의원소가발견되었고새로운원소가계속발견되고있다. 앞에제시된원소주기율표에는이들 118개의원소들이포함되어있다. 그러나실제로우리가중점적으로공부할것은주기율표위쪽 3개의줄에포함된 1번에서 18번까지의 18개원소들이다. [energy-level(shell) : 에너지준위 ( 껍질 )] 우리가원소의화학을보다잘이해할수있기위해서는전자배치에관해더자세히알아볼필요가있다. 전자는원자의핵주위를그저돌고있는것이아니다. 원자내부에서전자는특정장소에만존재할수있다. 전자가존재하는이장소는위그림에서와같이원자핵주위를둘러싼층을형성한다. 이층을전자궤도또는전자껍질 (shell) 이라하는데이는마치 M&M 땅콩초콜릿의초콜릿및사탕층과유사하다. 과학자들은한가지물질이나현상을발견하는데기여한여러사람들이제안에따른서로다른이름을사용하기도하는데이전자껍질은에너지준위 (energy-level) 라고도부른다. 한원자는그핵을둘러싼여러개의전자껍질을가질수있는데각껍질 ( 또는에너지준위 ) 은핵에서떨어진거리의순서에따라고유의이름이주어지며, 그이름은 - 4 -
다음과같은영어알파벳으로되어있다. 껍질 1 ( 에너지준위 1): 핵에서가장가까운껍질로 k 궤도라한다. 껍질 2 ( 에너지준위 2) : 핵에서두번째로가까운껍질로 l 궤도라한다. 껍질 3 ( 에너지준위 3) : 핵에서세번째로가까운껍질로 m 궤도라한다. 그다음껍질들의이름은미루어짐작할수있듯이 n, o, p, q 궤도등이다. 그러나우리는이들중처음 3개 ( k", "l", "m") 에주로관심을가지는데이는우리에게중요한 18개원소들에게필요한껍질들이기때문이다. 각전자껍질들이가질수있는최대전자수는궤도마다다르다. 우선처음에너지준위인 k 껍질에는전자가 2개까지들어갈수있으며그다음 l 껍질에는최대 8개, 또 m' 껍질에는최대 18개까지의전자가들어갈수있다. 한원자의전자들중에서에너지의준위가가장높은껍질에들어있는전자들은다른원자와결합하여원소나화합물 (compounds) 을형성하기때문에화학자들이특별히관심을가진다. 이껍질에들어있는전자들을원자가전자 (valance electrons) 라부른다. 원소 (elements) 는한가지원자들로만구성된물질이며, 화합물 (compounds) 은두종류이상의원자로구성된물질이다. 이제부터원소주기율표에대하여살펴보자. 아래그림은원소주기율표의각원소에관한표시로이에는다음의정보들이포함되어있다. [ 출처 : http://www.webelements.com/ ] 우선 118개의원소들은족 (group) 과주기 (period) 로구분된각칸 (grid) 에원자번호 (atomic number) 순서에따라배치되어있다. 족은주기율표의세로에해당하는행으로모두 18개가있으며, 주기는가로에해당하는열로 7개가있다. 1족에는 H, Li, Na 등 7개의원소가포함되어있고. 2주기에는 Li, Be, B, C 등 8개의원소가포함되어있다. 이제 11족 5주기칸에있는아래그림의 Ag 원소에관한주기율표의정보를살펴보자. * 왼쪽위에있는숫자 47 은이원소 (Ag) 의원자번호 (atomic number) 이다. [ 출처 : http://education.jlab.org/glossary/atomicnumber.html]. 원자번호는그원소의각원자들이가지고있는양성자수를나타낸다. 따라서이 - 5 -
원자 (Ag: 은 ) 에는 47개의양성자가들어있고원자번호가 1인수소 ("H") 원자는단 1개의양성자만을가진다. * 칸중앙에있는 "Ag" 는이원소의원소기호 (atomic symbol) 이며, 그아래에있는 Silver ( 은 ) 가바로그원소의이름이다. 원소기호는대부분그원소의영어나라틴어이름에서따온 1-2개의알파벳으로되어있다. Ag" 는은을가리키는 Argentum 에서따온것으로 Ar" 이아니고 Ag" 가된것은이미 18번원소인아르곤 (Argon) 이 Ar" 을차지했기때문이다. 원자번호 1번인수소의원소기호 H' 는영어 Hydrogen" 또는라틴어 Hydrogenium" 의첫글자를따온것이다. * 마지막으로원소이름 (name of element) 아래에있는숫자 107.8682 는 Ag( 은 ) 원자의원자량 (atomic mass) 이다. 각원소의원자량은탄소-12(Carbon-12) 원자질량의상대적인수치 ( 값 ) 로, 그단위는 1,800년대의유명한화학자인존달톤 (John Dalton) 의이름에서따온달톤 (Dalton: D), 또는원자질량단위 (atomic mass unit: u) 이다. Carbon-12의질량을 12u로정했기때문에 1u는탄소-12 원자질량의 1/12에해당한다. 자연계의탄소는양성자 6개와중성자 6개로된탄소-12 이외에도중성자수가 7개인탄소-13, 8개인탄소-14 등이섞여있다. 주기율표의오른쪽으로또아래쪽으로갈수록원자번호와원자질량이커지는것을볼수있다. 예를들어, 불소라고도불리며충치예방효과가있는플르오르 (Fluorine: F) 의원자번호는 9이고원자질량은 18.99840 u이다. 한편이플르오르 (F) 보다오른쪽아래에위치한칼슘 (Ca) 의원자번호는 20이고원자질량은 40.62로플르오르 (F) 보다더큰원자번호와원자질량을가진다. 같은주기에있는모든원소들은그들의전자를위한껍질의수가모두같다. 예를들어, 가장윗줄에있는 1주기원소들은 1개의전자껍질이필요하다. 물론다른전자껍질도존재는하지만사용되지아니한다. 이주기에는수소 (H) 와헬륨 (He) 두원소가속해있는데이두원소는우주생성초기부터있던원소들이다. 두번째주기에있는모든원소들은 2개의전자껍질이필요하다. 제 2주기의원소들은리튬 (Li), 베릴륨 (Be), 붕소 (B), 탄소 (C), 질소 (N), 산소 (O), 플르오르 (F) 및네온 (Ne) 으로모두 8종류이다. 또 3번째주기의원소들은그들의전자를위해 3개의전자껍질이사용되는데이와같은규칙이다른주기에도적용된다. 3주기에속한원소는나트륨 (Na), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 규소 (Si), 인 (P), 황 (S), 염소 (Cl) 와아르곤 (Ar) 이다. 이상의 3개주기에속해있는 18개의원소들은우리주변의거의모든것을구성하는아주기본적인원소들이다. 이상으로주기에대한설명을마치고이제족에대해서알아보자. 원소주기율표를살펴보는방법은여러가지가있다. 흥미롭고다양한정보들을살펴보기위해다음온라인주기율표에서각원소들을클릭해보자. - 6 -
http://www.chemicalelements.com/ 이표에나타나있는대표적인정보에는원소이름, 원자번호, 원자질량, 전자배치, 중성자수, 녹는점, 끓는점, 발견년도, 결정구조등이있다. 주기율표는앞으로화학을학습하는데자주활용될것이다. 그런데이러한주기율표를만든사람들은누구일까? 원소주기율표의역사에서 3명의주요인물이등장한다. 그중첫번째사람은러시아의화학자드미트리멘델레예프 (Demitri Mendeleyev) 로그는 1870년대에최초의원소주기율표를만든사람이다. 그의표에는몇가지의오류가있었으며 1914년영국의물리학자모즐리 (Mosley) 교수가원자번호순서로원소의위치를재배치하였다. 그후 1950 년대에캘리포니아대학교 ( 버클리 ) 의교수였던글렌시보그 (Dr. Glenn Seaborg) 에의해재수정되었는데그는후에합성되거나발견된몇가지원소들을예언을하였다. < 드미트리멘델레예프 > 이들세과학자들에관해보다자세하게알아보고싶으면앞서소개된사이트와다음동영상을참고하라. 원자의기적 -> The Miracle in the Atom (9:23) 원자와원소 -> Atoms &Elements (9:53) 원자의소개 -> Introduction to the Atom (21:05) * 이들유튜브 (YOU Tube) 비디오학습사이트는없어지거나내용이바뀌었을수도있다. - 7 -
1-2. 금속, 준금속, 비금속및할로겐 우리는앞에서과학자들이지금까지 118개의원소를발견했으며미래에더발견될수도있음을학습하였다. 이들원소의대부분은금속이다. [ 참고사이트 : http://www.chem.lsu.edu/lucid/tutorials/periodic_table.html] 이금속들은주기율표의어느곳에배치되어있을까? 금속 (metal) 원소는그수가아주많으며아래그림에서와같이주기율표의왼쪽과중앙에자리하고있다. 반면에수소, 모든 18족원소, 18, 17족의대부분의원소그리고 14, 15족의일부원소는비금속 (non-metal) 원소로주기율표의오른쪽위편을차지하고있다. 한편금속원소와비금속원소위치의경계에는준금속 (metallois or semimetal) 원소들이자리하고있다. 118개의원소들중비금속원소는 17개, 준금속원소는 7개이고나머지원소는모두금속이다. [ 주기율표에서의금속, 준금속, 비금속의위치 ] 금속 (Metals) 백금 (Pt), 은 (Ag), 금 (Au) 과같은금속은잘알려져있고반짝이며빛이난다. 반면에이리듐 (Ir) 이나레니움 (Re) 과같이이름조차생소한금속도있다. 그러나모든금속들은비슷한물리적및화학적성질을가진다. 우선, 모든금속은전기와열의우수한도체이다. 금과구리가전기제품에사용되는것은금속의이러한성질때문이다. - 8 -
금속은제일바깥전자껍질 ( 가장높은에너지준위 ) 에보통 1-3개의전자를가진다. 이때문에금속원자는다른원소와결합을할때에전자를내놓는경향이있다. 금속원자들이함께뭉쳐있을때에는느슨하게묶여있는전자무리들이원자주위를돌고있는데이전자무리는전자가스 (electron gas) 라불리며빛을반사한다. 금속이반짝이는것은이렇게반사된빛때문이다. 금속은응집 (cohesive) 성과반응 (reactive) 성이매우크다. 응집성 이란금속원자가다른금속원자에달라붙는성질을의미하며, 반응성 이란다른원소와쉽게결합하여화합물 (compound) 을형성하는성질을의미한다. 나트륨 (Na) 과칼륨 (K) 은가장반응성이큰두원소이다. 염화나트륨 (NaCl) 은금속나트륨 (Na) 이비금속원소인염소 (Cl) 와결합하여생성된화합물로이는우리가늘섭취하는식탁염 ( 소금 ) 이다. 금속은또한퍼짐 (malleable) 성이커서망치로두드려얇은금속판을만들수있다. 또연성이커서가늘고긴선으로뽑을수있다. 이러한금속의성질때문에금속은일상생활에두루사용된다. 비금속 (Nonmetals) 비금속의성질은금속과반대인경우가많다. 금속은반짝거리나비금속은광택이없다. 금속은단단하나비금속은부드럽고잘부스러진다. 금속은퍼짐성과뽑힘성이크고일정형태를만들기가쉬우나비금속은쉽게깨진다. 대다수의금속은비금속에비해녹는점이높다. 준금속 (Metalloids) 준금속은주기율표에서금속과비금속사이에위치한다. 따라서이들준금속은금속과비금속의중간성질을가질것이라고미루어생각할수있다. 준금속원소에는붕소 (B), 규소 (Si), 게르마늄 (Ge), 비소 (As), 안티모니 (Sb), 텔루르 (Te) 와아스타틴 (At) 이있다. 할로겐 (Halogens) 과비활성기체 (Noble Gases) 할로겐 (Halogens) 은주기율표제17족에위치한비금속으로플르오르 (F), 염소 (Cl), 브롬 (Br), 요오드 (I) 와아스타틴 (As) 이이에속한다. 할로겐은제일바깥껍질에 7개의전자를가지며, 이들은금속과잘결합한다. 할로겐은반응성이매우크나아래쪽으로갈수록그반응성이줄어든다. 또이들은독성이있다. 플르오르와염소는황초록색기체이며, 브롬은적갈색액체이고요오드는흑청색고체 ( 기체일때는자주색으로변한다.) 이다. - 9 -
[ 주기율표에서의할로겐과비활성기체의위치 ] 비 ( 불 ) 활성기체 (noble gases) 는 18족에속한원소들로이에는헬륨 (He), 네온 (Ne), 아르곤 (Ar), 크립톤 (Kr), 크세논 (Xe) 과라돈 (Rn) 이있다. 비활성기체는영어로 noble gases 라하는데이는금처럼고상하여매우반응성이작기때문에그렇게부른다. 이들원소들이이처럼반응성이작은이유는그들의가장바깥전자껍질에전자가모두채워졌기때문이다. 그러나이것이이들원소들이쓸모없다는것을의미하지는않는다. 예를들어, 네온 (Ne) 은휘황찬란한대도시의광고판을만드는네온사인에사용된다. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래의유튜브 (YOU Tube) 비디오수업자료사이트는없어지거나내용이바뀌었을수도있다. 금속-> Metals, a Starter for A Level (5:07) 금속과비금속의성질 -> Properties of Metals and Non-Metals (4:28) 4가지할로겐의비교 -> Comparing the Four Halogens (3:42) 1-3. 알칼리금속, 알칼리토금속및전이금속 알칼리금속 (Alkaline Metals) 주기율표제1족의원소중수소를제외한나머지원소들을알칼리금속이라한다. 알칼리금속은제일바깥껍질에 1개의전자를가지며금속성이매우강하여공기나물과도격렬하게반응하기때문에자연에서원소상태로발견되지아니한다. 금속의일반적인 - 10 -
성질은뽑힘성, 퍼짐성, 전도성이좋고은백색광택이나며부드럽다. 알칼리금속원소에는 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 칼륨 (K), 루비듐 (Rb), 세슘 (Cs), 프란슘 (Fr) 이있다. 알칼리토금속 (Alkaline Earth Metals) 제2족의원소들을알카리토금속 (Alkaline Earth Metals) 이라부른다. 이원소들은제일바깥전자껍질에 2개의전자를가진다. 알칼리토금속은전도성, 광택, 뽑힘성과퍼짐성등금속성을가지는부드러운원소들이다. 그러나제1족알칼리금속보다는금속성이약하다. [ 알칼리토금속 ] 알칼리토금속원소에는베릴륨 (Be), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba) 과 라듐 (Ra) 이있다. 이중마그네슘과칼슘은지구표면에많이포함되어있다 전이금속 (Transition Metals) [ 전이금속 ] 전이금속은위그림에 'x' 로표시되어있으며주기율표에서큰구역을차지하고있다. 전이금속 (transition metals) 은전이원소 (transition elements) 라고도불리며주기율표의 3족에서 12족에위치한다. 전이금속은 4주기의원자번호 21번스칸듐 (Sc) 에서 30번아연 (Zn) 까지, 5주기 3족의이트륨 (Y) 에서 12족카드뮴 (Cd) 까지, 6주기의루테늄 (Lu) 에서수은 (Hg) 그리고 7주기 - 11 -
12족의로렌슘 (Lr) 부터 10종의원소까지총 40종의원소들이다. 전이금속은다른금속에비해더단단하고밀도가크며반응성이작다. 전이원소중가장중요한세원소는철 (Fe), 코발트 (Co) 및니켈 (Ni) 로이세원소만이자성을유지하고자석에끌린다. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래유튜브수업지료사이트는없어졌거나내용이변경되었을수도있다. 알칼리및알칼리토금속 -> Alkaline and Alkaline Earth Metals (1:13)] 주기율표의족 -> Groups of the Periodic Table (11:51)] 전이금속 -> Transition Metals (2:35)] 전이금속 1부 -> Transition Metals Part 1 (8:30)] 전이금속 2부 -> Transition Metals Part 2 (6:12)] 1-4. 란타니드와악티니드 [ 란타니드와악티니드계열 ] 주기율표의아래쪽에는 2줄의원소들이다른원소들과는떨어져따로자리를잡고있다. 이원소들은원래원자번호 56번에서 72번및 88번에서 104번사이에들어가야하나여기에이두줄을넣으면주기율표가가로로너무길어져별도로자리배치를한것이다. 별도의두줄중처음줄을란타니드 (Lanthanides), 라하며이에는원자번로 57번란타늄 (La) 에서 70번이터븀 (Yb) 까지의원소들이포함되며, 6주기에속한모든란타니드원소들은매우희귀한금속들이다. 다음두번째줄은악티니드 (Actinides) 라하며여기에는 89번악티늄 (Ac) 에서 102번노벨 - 12 -
륨 (No) 까지의원소들이포함된다. 7주기에속한악티니드원소들중원자력발전의연료로사용되는우라늄 (U) 과플루토늄 (Pu) 을제외하고는별관심을끌지못한다. 원자번호 83번인비스무트 (Bi) 이후의원소들은모두방사성이있으며이들중어느것은수조년이상에걸쳐또어느것은 1초이내에붕괴되어우주에서사라진다. 초악티니드 (Transactinide) 와초우라늄원소 원자번호가우라늄 ( 원자번호 92번 ) 보다큰원소들은초우라늄원소 (transuranium elements). 라불린다. [ 참고 : http://web.fccj.org/~ethall/uranium/uranium.htm] 원자번호 93번에서 116번까지 24개의초우라늄원소가발견되었고, 이중넵투늄 (Np: 93번 ) 에서로렌슘 (Lr:103번) 까지의 11개원소는악티니드에속하며원자번호 104번이상의나머지 13개원소들은초악니티드 (transactinides) 원소라불린다. 모든초우라늄원소는불안정하며수천만년에서 1초미만에이르는다양한반감기에의해핵붕괴를한다. 초우라늄원소들중자연계에서극미량이나마발견된것은넵투늄과플루토늄 2개뿐이며, 핵반응을통한인공초우라늄원소들의합성과정에서이들에관한중요한지식들을축적할수있었다. 희토류원소 : 금속 (Rare Earth Elements :Metals) 주기율표의금속원소들중 17개의원소는희토류원소 (Rare Earth Elements) 로지정되었는데, 이는스칸듐 (Sc: 원자번호 21), 이트륨 (Y: 원자번호 39), 란타니드 ( 원자번호 57-70) 및루테튬 (Lu: 원자번호 71) 이다. 란타니드원소중원자번호 61번인프로메튬 (Pm) 은자연계에서발견되지아니하므로희토류원소에서제외되었다. 어떤과학자들은악티니드원소를희토류에포함시키기도하나이들중자연계존재하는것은단지 3종뿐이다. 희토류원소중이터븀 (Y) 이스웨덴에서처음분리되었다. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음유튜브비디오중일부는없어지거나내용이변경되었을수도있다. 란타니드소개 : A Brief Intro to the Lanthanides (2:59) 악티늄악티늄 : Actinium Periodic Table of Videos (1:43) 초우라늄원소의발견 : Discovery of the Transuranium Elements (58:31) - 13 -
1-5. 이온화에너지, 전기음성도및상대적크기 이온화에너지 (Ionization Energy) 중성원자에서전자하나를떼어내는데필요한에너지를이온화에너지 (ionization energy) 라한다. 더바깥쪽전자껍질에있는전자일수록원자핵에서더멀리떨어져있기때문에그전자를떼어내는데더적은에너지가필요하다. 따라서한족에서는주기율표의아래쪽으로갈수록이온화에너지가감소된다. 또한같은주기에서는오른쪽으로갈수록핵의양성자수와전자껍질의전자수가많아져양성자와제일바깥전자껍질의전자 ( 이를원자가전자라한다.) 사이의인력이더커지므로이온화에너지가증가된다. [ 이온화에너지의크기의경향 ] 이를요약하면주기율표에서아래쪽으로갈수록이온화에너지는작아지고, 오른쪽으로 갈수록이온화에너지가커진다.( 위그림참조 ) 전기음성도 (Electronegativity) 전기음성도 (electronegativity) 란중성원자에전자하나를얼마나쉽게추가할수있는가를나타내주는값이다. 이는이온화에너지와거의반대입장의개념이나일부원자는전자를넣을수없어전기음성도값을측정할수가없다. 전자껍질이커질수록원자에전자를넣기가더힘들어진다. 한편원자핵에양성자수가많을수록원자에전자를넣기가쉬워진다. 비활성기체들은다른전자를받아드리기를원치않기때문에그원자에전자를추가하는것은거의불가능하다. 요약하면주기율표의아래쪽으로갈수록전기음성도가줄어들고오른쪽으로갈수록아래그림에서와같이전기음성도가커진다. - 14 -
[ 전기음성도크기의경향 ] 원자의크기 (Atom Size) 원자의크기는두원자사이의거리를기반으로한다. 원자크기측정의한방법에서는결합된서로다른원자사이의거리를사용하며, 다른방법에서는고체상태의원소에서같은종류의원자간거리를사용한다. 원자의크기가너무작기때문에원자의크기에는아주작은길이단위즉, 옹스트롬 (angstroms: Å, 1 x 10-10 m) 이나나노미터 (nanometers: nm, 1 x 10-9 m), 또는피코미터 (picometers : pm, 1 x 10-12 m) 가사용된다. 만일어떤중성원자에전자가더해져음이온이되면그핵에있는양성자의각전자에대한평균적인인력이감소하기때문에그크기가커진다. 반면에중성원자가전자를잃고양이온이되면양성자의각전자에대한평균적인인력이커지기때문에그크기가감소된다. [ 원자반경크기의경향 ] 중성원자의크기는주기율표의한족 ( 행 ) 의아래쪽으로갈수록커진다. 이는족수가커질 수록전자껍질의수가늘어나고그결과더큰원자가전자껍질 ( 제일바깥전자껍질 ) 을 - 15 -
가지기때문이다. 같은주기 ( 열 ) 에서는오른쪽으로갈수록원자의크기가줄어든다. 이는원자핵의양성자수가늘어나전자를당기는평균적인력이커지기때문이다. 요약하면, 위의그림에서와같이주기율표의왼쪽과아래쪽으로갈수록원자의반지름 (atomic radius) 이커진다. [ 참고 : Home Videos Channels Shows ] 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래의유튜브자료는없어지거나내용이바뀔수도있다. 주기율표의경향 : 이온화에너지 : Periodic Table Trends: Ionization Energy (12:12) 전기음성도의경향 : Electronegativity Trends (1:11) 원자반지름의주기적경향 : Periodic Trends in Atomic Radius (1:07) 1-6. 오비탈과전자배치 원자의정확한전자배치를아는것은매우중요하다. 1-1에서배운 k, l, m( 또는 1, 2, 3 에너지준위 ) 등의전자궤도 ( 껍질 ) 는부껍질 (subshell) 과오비탈 (orbital) 로더상세하게구분된다. 부껍질은 s, p, d, f, g, h, 및 i 껍질이라부르고각부껍질에는 1, 3, 5 등홀수개의오비탈이포함된다. - s 부껍질은 1개의오비탈을가진다. - p 부껍질은 3개의오비탈을가진다. - d 부껍질은 5개의오비탈을가진다. 아래그림은각부껍질이갖는오비탈하나씩만을보여준다. 각부껍질은서로다른모양을가지고있다. s 부껍질은공과같은구형이고, p 부껍질은길쭉한아령과같은모양을가지고있으며, d 부껍질은두개의아령을교차시킨모양을가지고있다. 한편각오비탈에는하나또는두개의전자가들어간다. 다음사이트에는이에대한자세한설명이있다. http://www.orbitals.com/orb/index.html http://www.colby.edu/chemistry/ochem/demos/orbitals.html 이제부터가장흔하고일반적인 18개원자에대한전자배치를살펴볼것이다. 나머지원자들의전자배치를알아보기위해서는다음과같은좋은주기율표가필요할 - 16 -
것이다.[ 여기를클릭 -> here.] [ 오비탈의종류와모양 ] 아래의표에는 18개원자의가장낮은에너지상태의전자배치를표시해준다. 여기에서 1s 1 은수소원자의 1번째에너지준위 (K 궤도 ) 의 s부껍질에 1개의전자가포함되어있다는표시이다. 또원자번호 7번인질소원자의 1s 2,2s 2,2p 3 는 7개의전자중 2개는 1s에 2개는 2번째에너지준위 (L 궤도 ) 의 s 부껍질에그리고나머지 3개는 L궤도의 p부껍질에들어있음을나타낸다. 이와같은전자배치는파울리 (Pauli) 의배타원리 (Exclusion Principle) 에따르는데이원리는어떤부껍질의오비탈 ( 이들은같은에너지준위를가진다 ) 들에전자가배치될때한오비탈에전자가하나씩채워진다음에두번째전자가채워진다는것이다. 원자번호 원소이름 원소기호 전자배치 1 수소 H 1s 1 2 헬륨 He 1s 2 3 리튬 Li 1s 2,2s 1 4 베릴륨 Be 1s 2,2s 2 5 붕소 B 1s 2,2s 2,2p1 6 탄소 C 1s 2,2s 2,2p 2 7 질소 N 1s 2,2s 2,2p 3 8 산소 O 1s 2,2s 2,2p 4 9 플르오르 F 1s 2,2s 2,2p 5 10 네온 Ne 1s 2,2s 2,2p 6 11 나트륨 Na 1s 2,2s 2,2p 6,3s 1-17 -
12 마그네슘 Mg 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2 13 알루미늄 Al 1s 2,2s2 2,2p 6,3s 2,3p 1 14 규소 Si 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 2 15 인 P 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 3 16 황 S 1s 2,2s 2,2p6,3s 2,3p 4 17 염소 Cl 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 5 18 이르곤 Ar 1s 2,2s 2,2p 6,3s 2,3p 6 원자에전자가채워질때에는어떤규칙성이있음을알수있다. 다음그림은전자가채워지는전자껍질의에너지준위순서를외우기쉽게제시해준다. 이순서는 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 6f, 5d, 7p이며, 이순서에따라 118개원자의전자배치를나타낼수있다. 이그림에서와같이 4s 부껍질이 3d 부껍질보다먼저채워짐에유의를해야한다. [ 전자껍질의에너지준위규칙 ] 원소주기율표에도이와같이부껍질에전자가채워지는순서가잘반영되어있다. 아래주기율표에서이러한규칙성을확인해보기바란다. 4f와 5f 표시가된란타니드와악티니드는 6s와 5d 및 7s와 6d 사이에들어가는것임을잊지말아야한다. [ 원소주기율표와전자껍질의관계 ] - 18 -
다음표에는한전자껍질과그들의부껍질에들어갈수있는최대전자수가나타나있다. 중성원자의경우그원자는원자번호와같은수의양성자및전자를가짐을기억하자. [ 전자궤도의번호와그궤도의최대전자수 ] 각원자의전자배치에서가장바깥껍질에있는전자는특별하며이들은원자가전자 (valance electron) 라불린다. 왜냐하면원자들끼리화학결합을할때에각원자의원자가전자가이결합에참여하기때문이다. 원자간결합 (bonding between atoms) 에는이온결합 (ionic bonds), 공유결합 (covalent bonds), 금속결합 (metallic bonding) 의 3종류가있다. 물론이온결합과공유결합사이에는결합형태의넓은범위가존재하지만편의상이를두종류로구분한다. 아래의그림에는두원자간결합에서공유하는양쪽원자의전자들의배치상태가한선상에표시되어있다. 이그림의가장왼쪽에는수소분자 (H 2 ) 에서와같이결합하는두수소원자의전자가 50:50( 같은비율로 ) 으로공유된완전한공유결합 (covalent bonding) 이표시되어있다. 또가장오른쪽에는 NaCl에서와같이금속성이강한 ( 전기음성도가아주작은 ) Na원자의전자가비금속성이강한 ( 전기음성도가아주큰 ) Cl 원자로대부분끌려가기때문에공유가거의없는 (almost no sharing) 이온결합이표시되어있다. 공유결합 (50;50 공유 ) 극성공유결합 ( 비동등공유 ) 이온결합 ( 거의비공유 ) [ 화학결합의유형 ] 그러나이선의중간에는결합전자를공유하기는하나전기음성도가보다큰원자쪽으로 결합전자가쏠려동등하지못한공유 (ubequal sharing) 를하는결합들이배치된다. 이러한 결합에서는전기음성도가보다큰원자쪽에결합전자가몰려부분적인음 (-) 성을띄게 되고 다른 원자는 부분적인 양 (+) 성을 띄게 된다. 이런 형태의 공유결합을 극성 - 19 -
공유결합 (polar covalent bonding) 이라한다. 극성공유결합에서는결합전자들이한쪽원자주위를더많이돈다. 수소분자의경우 100% 공유결합을형성하지만 NaCl의경우 100% 이온결합을형성하지는못한다. 그러나결합원자간전기음성도차이가많이나는금속과비금속의결합을보통순수이온결합이라부른다. 공유결합과이온결합의구분에는 1-5에서학습한전기음성도를활용할수있다. 똑같은비금속끼리결합할경우두원자의전기음성도차이가 0이므로순수공유결합을형성하며, 전기음성도의차이가 1.7이상인금속원자와비금속원자간의결합은이온결합으로분류한다. 그리고전기음성도차이가 0.1에서 1.7 사이인결합은극성공유결합으로분류한다. 공유결합 (Covalent Bonds) 공유결합에는단일결합, 이중결합및삼중결합이있는데이는결합에사용되는전자쌍의수에따라결정된다. 수소 (H 2 ) 는단일결합의좋은보기로이분자의결합에는두원자의전자하나씩으로된전자쌍을포함한다. 산소 (O 2 ) 는 4개의전자를공유하는이중결합의한예이며, 질소 (N 2 ) 는 6개의전자를공유하는삼중결합의한예이다. 이온결합 (Ionic Bonds) 원자는전자를잃거나얻어이온을형성하면안정해지는경우가있다. 이렇게이온을생성하며형성되는결합을이온결합이라하며이는마치자석이붙는것처럼양이온과음이온이달라붙어이온결합을형성한다. 소금은이의좋은예이다. 염화나트륨을생성하려면나트륨 (Na) 원자는전자하나를잃고양전하의나트륨이온 (Na+) 이되고염소원자는전자하나를얻어음전하의염소이온 (Cl-) 을생성하며이들두이온들이아래그림과같이주변의원자들을끌어당겨 NaCl 결정을형성한다. [NaCl 이온결합화합물의구조 ] - 20 -
이온결합 (ionic bonds) 은원소주기율표의금속과비금속간에형성된다. 주기율표의제1, 2 및 13족원소들은이온결합에서양이온으로참여한다. 결합에참여하는전자의수를가장쉽게아는방법은주기율표에서그원소의위치를확인하는것이다. 알칼리금속인제1족의원소는결합에 1개의원자가전자 (valance electron) 사용한다. 원자가전자는각원자의가장바깥전자껍질에존재하는전자이다. 주기율표의왼쪽에있는원소들은전자를잃으면안정되며알칼리금속은 1개의전자를잃고 +1가의양이온 (cation) 이된다. 알칼리토금속인제2족의원소는 2개의원자가전자를결합에사용할수있으며 +2가의양이온이된다. 전이원소 (3-12족) 들은화학결합에다양한수의원자가전자를사용하기때문에나중에더살펴보기로한다. 제13족원소들이결합에시용하는원자가전자는 3개로이들은 +3 전하의양이온을형성한다. 제14족원소들은결합에 4개의원자가전자를사용할수있다. 그러나이들의전자껍질에는 4개의전자를받아드릴여백도있다. 따라서제14족의원소들은대개공유결합을형성하나 +4가의양이온또는 -4가의음이온이될수도있다. 주기율표의더오른쪽에있는원소들은자신들의전자이외에가능하면더많은전자를갖기를원한다. 제15족의원소는 5개의원자가전자를가지며아울러전자 3개를받을여백을갖고있기때문에 -3가의음이온으로결합에참여할수있다. 제16족원소는 6개의원자가전자와 2개의여백을가지고있어보통 -2가의음이온으로결합에참여한다. 제17족원소는할로겐으로 7개의원자가전자를가지나보통 1개의전자를받아 -1가음이온으로결합에참여한다. 비활성기체인제18족원소는 8개의원자가전자를가지며전자를더받아드릴여백이없다. 따라서이기체들은화학결합이나반응에참여하지않는다. 금속결합 (Metallic Bonding) 금속결합 (metallic bonding) 은거의모든금속이보여주는결합의형태이다. 금속결합은공유결합이나이온결합과는다르다. 우선이들은격리된 ( 따로떨어져있는 ) 결합이아니다. 이결합은하나나두개의원자사이에형성되는것이아니라결합에참여하는전체원자들의원자핵주위를모든원자가전자들이전자바다처럼자유롭게떠돌아다닌다. 금속결합의다른모습은아래그림과같이한원자핵을여러개의오비탈이둘러싸고있으며또한한오비탈의전자주위에여러원자핵이존재하는것이다. 금속결합에는금속원자의양이온과음전하의전자가있기때문에이온결합과유사하며아울러전자들이두개이상의원자들에의해공유되기때문에공유결합과유사성이있다. 금속이높은전도성과광택을가지는것은이와같이이동성이있는전자바다를가지고있기때문이다. - 21 -
[ 금속결합모형 ] 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오사이트는없어졌거나그내용이바뀌었을수도있다. 이온결합과공유결합의애니메이션 : Ionic and Covalent Bonding Animation (1:57) 화학결합과원자의구조 : Chemical Bonding and Atomic Structure (1:54) 화학결합 : Chemical Bonds (7:19) 나노키즈의공유결합과이온결합 : Nanokids Bond With Me - Covalent &Ionic Bonding Atoms (2:04) 1-7. 원자의크기와질량 원자의크기 (Atomic Size) 원자의크기에서중요한한값은원자반지름 (atomic radius) 이다. 반지름이란원이나구의중앙에서그둘레나표면까지의직선거리이다. 원자는전자가계속이동하며핵주위를회전하기때문에공처럼고정된반지름을갖고있지않다. 따라서원자의반지름은결합하고있는두원자의핵사이의거리를반으로나눈값으로정한다. 원자의반지름은 1-5에서배운것처럼주기율표에서규칙성을찾아볼수있다. 주기율표 - 22 -
의한족에서주기가커질수록 ( 아래로갈수록 ) 원자 ( 반지름 ) 의크기가커지는데이는새로운전자껍질이생성되기때문이다. 또주기율표의한주기에서오른쪽으로갈수록 ( 족수가커질수록 ) 원자 ( 반지름 ) 의크기가작아지는데이는핵의양성자수가늘어나전자를끌어당기는평균인력이증가되기때문이다. 전이원소 ( 금속 ) 의경우에는위치의변화에따른원자크기의변화가그리크지않다. 각계열의시작단계에서는약간의축소가있으나거의모두의크기가비슷하다. 원자의크기는이온이되면달라진다. 염소의원자가전자하나를받아음이온이될경우에는그전자가제일바깥전자껍질을채운다. 그러면전자-전자사이의반발력이증가되고이는원자의크기를증가시킨다. 또나트륨이전자를잃어양이온이되면제일바깥전자껍질이비게된다. 또한남아있는전자들사이의반발력이줄어들고전자에대한핵양성자의평균인력이증가되기때문에원자의크기가줄어든다. 아래그림에나타난주기율표위치에따른원자의크기변화를잘살펴보고이온의원자크기변화를주어진사이트에서조사해보라. 원자질량 ((Atomic Mass) [ 원자크기의주기적성질 ] 한원자의질량은그양성자, 중성자및전자질량의합이다. 어떤화학자는원자질량대신원자무게 (atomic weight) 라는용어를사용하고, 어떤경우에는원자무게와원자질량을같은의미로사용하기때문에혼란스럽다. 그러나두용어에는차이가있고이의차이점에대해서는나중에공부하기로하고여기에서는 원자질량 을사용하기로한다. 원자질량의대부분은양성자와중성자 ( 핵 ) 에집중되어있다. 양성자와중성자는질량이거의비슷하다. 그러나전자의질량은매우작아서양성자의 1/1836밖에되지않는다. - 23 -
따라서핵은원자질량의대부분을차지하나그크기는원자의크기에비해매우작고, 전자는원자크기의대부분을차지하지만질량은무시할수있을정도로작다. 이의설명을위해서는우선부피와질량을정의할필요가있다. 질량 (mass) 이란한물체가가지는양이며, 부피는공간에서차지하는 3차원의지역이다. 질량과부피는서로다른아이디어이다. 전자는핵주위를운동하기때문에많은부피를차지하며전자수가늘어날수록부피도증가한다. 원소주기율표에는각원소의원자질량이나타나있다. 그러나과학의다른사실들과마찬가지로이사실도단순하지않다. 우리가알다시피원소주기율표의원자번호는그원소의양성자수를가리키며이사실은변치않는다. 따라서원자의양성자수는그원소의정체성이며한원자의중성자수나전자수가변해도그원소가변치않는다. 그러나양성자수가바뀌면그원소는다른원소가된다. 한원소의중성자수는변할수있는데양성자수 ( 원자번호 ) 가같으나중성자수가다른원소들은주기율표의같은위치를차지한다고해서이를동위원소 (isotope) 이라부른다. [ 원소 (element), 원자번호 (atomic number), 원소기호 (symbol), 원자질량 (atomic mass)] [ 원소주기율표의원소정보 ] 동위원소는그양성자와중성자수로구분한다. 아래그림에서수소의세동위원소가나타나있는데이들은모두같은수의양성자를가지나중성자수가서로다르다. 수소또는 [ 수소의 3 개동위원소 ] - 24 -
경수소 (protium) 의핵 (nucleus/ 복수 nuclei) 은 1개의양성자와 0개의중성자로되어있다. 원자핵중에서중성자가없는것은수소뿐이다. 중수소 (deuterium) 핵에는 1개의양성자와 1개의중성자가또 3중수소 (tritium) 핵에는 1개의양성자와 2개의중성자가들어있다. 한편탄소의경우대부분의탄소는방사능이없는양성자 6개와중성자 6개로된탄소-12이다. 이원자의질량은 12 u로원자질량의표준으로사용된다. 그러나자연계에는이탄소-12 이외에도양성자 6개와중성자 8개로된탄소-14가소량존재한다. 탄소-14는방사능이있으며방사선을방출하며서서히질소-14(7개의양성자와 7개의중성자로구성된 ) 로변환된다. 혹시탄소연대측정이라는말을들어본적이있는가? 이는수천년전의유기 (organic) 물체의나이를측정하는과정으로탄소-14가이용된다. 살아있는유기체가죽을때에그유기체의탄소-12와탄소-14가일정비율로존재한다. 그러나그유기체가죽은후에는새로운탄소-14를받아드릴수가없고기존의탄소-14는계속붕괴되어줄어들게된다. 그결과시간이지날수록탄소-12/ 탄소-14의값이커지고그값의크기에따라그유기체가죽은뒤얼마의시간이흘렀는지를측정할수있다. 약 2만년이지나면탄소-14의양이너무적어지기때문에그이상의긴시간은측정이불가능하다. 원자는임의의수만큼의중성자를가질수있을까? 그렇지는않다. 원자는선호하는양성자와중성자수의비가있으며핵내부에서의인력이이비의균형을잡아준다. 가벼운원소들은양성자수와비슷한중성자를가지나무거운원소들은양성자수보다많은중성자를가지는경향이있다. 중성자를너무적게또는많이가지는원자는잠간동안존재할수있으나그들은불안정하다. 이핵들은변화 ( 붕괴 ) 하며입자나전자복사선을내놓는데이를방사선이라한다. 이에대해서는제12장핵화학에서더배운다. 한원소의동위원소는중성자수가다르기때문에질량이다르다. 탄소-12의원자질량은 12 u이고, 탄소-13은 13 u, 탄소-14는 14 u이다. 이들세동위원소는모두자연에존재하지만존재하는양이다르다. 탄소의 98.9% 는탄소-12이고탄소-13과탄소-14는아주소량이존재한다. 원소주기율표에나타나있는탄소의원자질량은이들세동위원소질량의가중평균 (weighted average) 값이다. 자연계에는탄소-12가 98.9%, 탄소-13이 1.1%, 탄소-14는너무적어무시할수있는양이존재한다. 따라서이들의가중평균은 (12 u x 0.989) + (13 u x 0.011) 로그값은주기율표에나타나있는 12.011 u이다. 질량과무게 (Mass versus Weight) 이제질량과무게의차이를알아보자. 엄격하게말하자면무게 (weight) 는물체의질량에가해지는중력의크기를측정한 - 25 -
것이며, 질량 (mass) 이란물체의물질량을가리킨다. 따라서내몸의질량은지구에서나 달에서나똑같다. 그러나달의중력은지구의중력에비해작기때문에내달에서의 몸무게는달에서는지구에서보다작게나간다. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래의유튜브비디오자료는없어지거나내용이변경되었을수도있다. 원소주기율표의경향 ( 원자반지름 ) : Periodic Table Trends(Atomic Radius) (4:20) 원자반지름의주기적경향 : Periodic Trends In Atomic Radius (1:07) 이온화에너지와원자반지름 : Ionization Energy and Atomic Radius (9:33) 질량과무게 : Mass vs Weight (2:24) 질량, 무게및중력 : Mass, Weight and Gravity (3:23) 1-8. 오비탈의모양과배치 원자의전자배치는전자들이어떤에너지준위에어떤모양으로분포되어있는지를나타내주며그표시방식은 1s 2 와같다. 여기애서 1은에너지준위 ( 여기에서는 1; K궤도 ) 를가리킨다. s 는전자가차지하고있는부껍질을나타내고, 상첨자 2 는그부껍질에들어있는전자의수를나타낸다. - 26 -
예를들어 : 3d 4 는특정원자 3번째궤도의 d부껍질에 4개의전자가포함되어있음을나타낸다. 우리는원자의전자궤도 (k, l, m, n, o, p와 q 또는 1, 2, 3, 4, 5, 6과 7) 와이들궤도의에너지준위및이들이부껍질 ( 부준위 ) 로더나누어진다는것을배웠다. 이부껍질은 s, p,d 및 f 로표기된다. 예를들어, 첫주궤도 (principal shell) k에는하나의부껍질이있으며이는 1s 껍질이다. 두번째의주궤도는 l 껍질이며, 이에는 2s 및 2p 2개의부껍질이있다. 세번째주궤도인 m껍질에는 3개 (3s, 3p 및 3d) 의부껍질이있다. 그리고 4번째주궤도인 n 껍질에는 4개 (4s, 4p, 4d 및 4f) 의부껍질이있다. 이보다더큰껍질들도있으나이들은아직까지이용되지않는다. 요약하면, 1(k) 궤도 ( 껍질 ) 에는 1개의부껍질, 2(l) 궤도에는 2개의부껍질, 3(m) 궤도에는 3 개의부껍질, 4(n) 궤도에는 4개의부껍질이있다. 그러나전자배치문제가여기에서끝나지않는다. 이들부껍질 ( 부준위 ) 은오비탈 (ortibals) 로다시나누어지는데각오비탈에는최대 2개씩의전자가들어간다. 따라서단 1개의오비탈을가진 s 부껍질은 2개의전자를포함할수있다. p 부껍질에는 3개의오비탈이있어총 6개의전자를가질수있고, d 부껍질에는 5개의오비탈이있어모두 10개까지의전자를가질수있다. 그리고 f 부껍질은 7개의오비탈을가지며따라서 14개까지의전자를가질수있다. 아래의표에는이러한관계가정리되어있다. 부껍질 ( 부준위 ) 오비탈수 최대전자수 ( 오비탈수 x 2) s 1 2 (1 x 2) p 3 6 (3 x 2) d 5 10 (5 x 2) f 7 14 (7 x 2) [ 전자부껍질, 오비탈과최대전자수의관계 ] 전자배치의표시를단순화하기위하여전자양자수 (electron quantum number) 표시법이도입되었다. 이양자수에는 4종류가있는데이는주양자수 (Principle Quantum Number: n), 방위양자수 (Azimuthal Quantum Number: l), 자기양자수 (Magnetic Quantum Number: m), 그리고스핀양자수 (Spin Quantum Number: s) 이다. 원자내의각전자에는이들 4개양자수한벌이주어지는데이양자수로부터전자의위치를알수있다. 주양자수 (n) 는전자의에너지준위를알려주며이에는 1에서무한대까지가있다. 그러나우리가주로다루는바닥상태 (ground state) 에는 1에서 4까지의주양자수가이용된다. 이는전자궤도나전자껍질이라고불리며그들의에너지준위는다음표와같다. - 27 -
주양자수 (n) 1 2 3 4 전자껍질 k l m n [ 주양자수와전자껍질 } 방위양자수 (l) 는부껍질의모양을설명해주며 0에서 (n-1) 까지의수를갖는다. s, p, d, f 부껍질의방위양자수는다음표와같다. 만일 n( 주양자수 ) 이 1이면, l( 방위양자수 ) 은 0 하나만가능하다. n = 2일때는 l은 0 이나 1이가능하며이는 2s 또는 2p가된다. 방위양자수 (l) 0 1 2 3 4 오비탈 s p d f g [ 방위양자수와오비탈 ] 자기양자수 (m) 는오비탈의공간배치정보를제공한다. 방위양자수가 l인부껍질에는 -l에서 +l까지의 자기양자수가 존재한다. 먼저 s 오비탈 (l=0) 은 단 하나의 (m=0) 자기양자수를가지며구형 ( 공모양 ) 인이자기양자수에는 2개까지의전자가들어갈수 있다. p 오비탈 (l=1) 의경우에는아래의표에서와같이 3개 (-1, 0, +1) 의자기양자수를 가진다. 또 d 오비탈에는 5개, f 오비탈에는 7개의자기양자수가포함되어있다. 오비탈 방위양자수 자기양자수 s 0 0 p 1-1, 0, 1 d 2-2, -1, 0, 1, 2 f 3-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 [ 오비탈, 방위양자수와자기양자수의관계 ] 한편스핀양자수 (s) 는오비탈내에서전자의배치정보를제공한다. 전자의오비탈내에서의배치는두종류밖에없으며이는 -½ 과 +½로표시한다. 이제부터세슘 (Cs: 6주기 1족, 원자번호 55) 의제일바깥전자를살펴보자. 이전자는 Cs가 6주기원소이므로 n은 6이고, 1족원소이므로 l 은 0이므로 6s 오비탈에속한다. - 28 -
방위양자수 (l) 이 0이므로자기양자수도 0 하나만가능하다. 스핀양자수는 -½ 이나 +½ 모두가능하며여기에서는 s = ½을사용하자. 그러면이전자의배치기호는 6s 1 이된다. 여기에서 1-6에서배운오비탈에전자가채워지는순서 ( 아래그림참조 ) 에따라세슘 ( 원자번호 55) 의전자를배치해보면 1s 2 2s 2 2p63s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 1 이된다. 배치된전자수를모두합하면 (2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 6 + 2 + 10 + 6 + 1) 원자번호와같은 55가된다. [ 주양자수와방위양자수에따른에너지준위의순서 ] 전자가이처럼배치되는이유는전자가에너지준위가더높은오비탈보다더낮은오비탈을먼저채우기때문이다. 핵에가까운오비탈일수록더낮은에너지준위를가진다. 4s (5s, 6s) 오비탈은앞에있는 3d (4d, 5d) 오비탈보다약간낮은에너지준위를가지는데이는핵으로부터더강한인력을받기때문이다. 따라서이 s 오비탈에는그앞의 d 오비탈보다먼저전자가채워진다. 전자배치표시를제대로하기위해서는몇가지규칙을지켜야한다. 먼저앞의그림에나타난부껍질의순서에따라야한다. 그리고 s 부껍질에는 2개, p 부껍질에는 6개, d 부껍질에는 10개, f 부껍질에는 14개까지의전자를배치한다. 또배치하는전자의총수는양성자수 ( 원자번호 ) 와같다. 이제이규칙을연습해보자. 원자번호 1 인수소 (H) 는 1s 1 가진다. 오비탈에단하나의전자를 제2주기의첫원소인리튬의원자번호는 3이며따라서 3개의전자를가진다. 이를순서에따라배치하면우선 1s에 2개의전자가들어가고나머지하나의전자는 2s에들어가기때문에 1s 2 2s 1 의배치가된다. 이배치식상첨자에있는전자수의합계는 2+1로 3이된다. - 29 -
이제좀더복잡한인 (P) 의전자배치를해보자. 인의원자번호는 15 이며따라서총 15 개의전자를배치해야한다. 15 개의전자를에너지준위순서에따라배치하면 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 이얻어진다. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음유튜브비디오수업자료중에는없어지거나내용이변경된것이있을수있다. 오비탈 : Orbitals (13:37) 전자배치 1: Electron Configurations 1 (10:04) 전자배치 2: Electron Configurations 2 (10:18) 원자가전자 : Valence Electrons (15:23) - 30 -