Essentials of General Chemistry Ebbing, Gammon, Ragsdale Chapter 2 원자, 분자, 이온 원자론과원자구조 화학순물질 : 화학식과이름 화학반응 : 화학반응식 화학반응의예 연한재질의은회색금속을용융시켜황록색기체가들어있는플라스크안에놓아두면불꽃을 일으키는격렬한반응이일어나며흰색결정성가루가생성된다. 2Na(s) + Cl 2 (g) 2NaCl(s) 원자론과원자구조 원자론과원자구조에대한개념, 주기율표 2.1 원자론 현대화학의실험적기반 Lavoisier 1
이론적인근거 Dalton 의원자론 Dalton 원자론의가설 Atomic Theory: 물질의구조를아주작은입자 ( 원자 ) 들의결합으로설명하는것 1. 모든물질은더이상쪼갤수없는입자, 즉원자 (atom) 로구성된다. 원자는물질을구 성하는아주작은입자로, 화학반응에서변화되지않는다 양성자, 중성자, 전자 2. 원소 (element) 는오직한종류의원자로구성된물질의형태로서특정원소를구성하 는원자들의성질은동일하다 특정원소의원자는고유한질량을갖는다 동위원소 3. 화합물 (compound) 은두종류또는그이상의서로다른원소의원자들이특정한비율 로, 화학적으로결합된물질의형태이다 일정성분비의법칙 4. 화학반응 (chemical reaction) 은반응물을구성하는원자들이재배열하여새로운화학적 조성을가진생성물이생성되는과정이다. 원자들은화학반응에의해생성및소멸 또는더작은입자로분해되지않는다 질량보존의법칙 원소기호와모형 원소기호 (atomic symbol): 특정원소의원자를지칭하기위해서사용되는 1~2 개의알파벳철자 기호 Dalton 원자론의연역적결론 원소와화합물의차이, 질량보존의법칙, 일정성분비의법칙을설명 2
배수비례의법칙 (law of multiple proportion): 두원소가둘이상의서로다른화합물을생성 할때, 이들화합물내에서한원소의질량에대한다른원소의질량비율은간단한정수비를 이룬다. Dalton 이원자론으로부터추론한법칙 ( 예 ) C (1.000 g) + 1/2O 2 CO (2.3321 g) C (1.000 g) + O 2 CO 2 (3.6642 g) 두화합물에포함된산소의양적비율 1.3321:2.6642 = 1:2 2.2 원자구조 20C 초, 원자는두종류의입자즉, 원자의중심부에있고원자대부분의질량을차지하며양 전하를띠고있는원자핵 (nucleus) 과, 원자핵주변에존재하는매우가벼운입자로음전하를 띠고있는하나이상의전자 (electron) 로구성되어있다. 전자발견 J. J. Thomson 1897 년원자가더이상쪼갤수없는입자가아니라는사실을증명 음극선실험 음극선 (cathode ray): 음전하를가진입자 ( 전자 ) 의다발, 음극물질의조성과관계없이항상일 정 전자는모든물질에공통적으로존재하는기본입자 전자질량 (m e ) 과전자전하량 (e) 사이의비율을계산 전자전하량 3
1909 년미국 Robert Milikan 의기름방울실험 전기장을걸어주었을때와걸지않았을때 기름방울의낙하속도차이를관찰 전자전하량 1.602 x 10-19 Coulomb 두실험을통하여전자의질량이 9.109 x 10-31 kg 이라는것을계산 ( 수소원자질량 /1800) 원자핵모형 Ernest Rutherford 원자핵모형제안 원자질량의대부분 (99.5% 이상 ) 은양전하를띤중심, 즉 원자핵에집중되어있고그주위를음전하를띤전자가돌아다니고있음 금속박막에의한 α 입자 ( 헬륨의원자핵 ) 산란실험 대부분의 α 입자 ( 양전하를띤헬륨원자핵 ) 가금속박막을통과하지만 1/8000 의확률로큰각도로산란되거나거꾸로튕겨나오는것을 발견 원자핵의지름은약 10-3 pm 인반면에원자의지름은 100 pm 로 10 만배이상크다 2.3 원자핵구조 ; 동위원소 원자핵은양성자와중성자로구성 양전하량 금속박막에의한 α 입자의산란정도를분석하여원자핵의양전하량계산 각원소는전자전하량의정수배에해당하는고유한원자핵전하량을갖는다 이정수를원 자번호 (atomic number, Z) 라부른다. 4
수소원자핵의전하량 = 전자 1 개의전하량 수소의원자번호 = 1 원자번호 (Z): 원자핵에존재하는양성자의개수 양성자 (proton): 원자핵구성입자의하나로전자전하량과같은크기의양전하를갖고있지만, 질량은전자질량의 1800 배이상이다. 원소 (element): 동일한원자번호를가진원자들로만구성된한가지물질. 1932 년 James Chadwick α- 입자의베릴륨에대한산란실험에서중성자발견 ( 강한투과력을가 진입자 ) 전기적으로중성 중성자 (neutron): 질량은양성자와매우비슷하지만전기적으로는하전되지않은원자핵구성 입자 원자핵의표현방법 원자번호 (Z) 와질량수 (A) 를사용 A Z M 원자핵종기호 (nuclide symbol) 5
질량수 (mass number, A): 원자핵을구성하는양성자수와중성자수의합 원자핵종 (nuclide): 동일한원자번호와동일한질량수를가지는원자들 특정원소의원자들은동일한원자번호를가지고있지만, 질량수는다를수있다. 동위원소 (isotope): 원자번호는같으나질량수가다른원자또는양성자의개수는같으나중성 자의개수가다른원자 예 ) 산소 16 8 O 17 8 O 18 8 O 99.759% 0.037% 0.204% 2.4 원자량 한원소의원자는고유한질량을갖는다 원자론 자연계에존재하는많은원소는각기고유한질량을갖는여러동위원소의혼합물 상대원자질량 원자량 (atomic weight): 한원자의평균질량에대한다른원자평균질량의상대적인비율 상 대원자질량 (relative atomic mass) Dalton 이상대적원자질량을결정한방법 H 2 + 1/2O 2 1.000 g 7.9367 g H 2 O 수소를연소시키는반응에서수소 1.000 g 에산소 7.9367 g 이반응하고, 물을구성하는수소와 산소의조성비가 2:1 임으로산소의평균원자질량은수소의평균원자질량의 7.9367 x 2 = 15.873 배이다. 6
원자질량단위 원자질량단위 (atomic mass unit): 탄소 -12 동위원소질량의정확히 1/12 을 1 amu 로정한다 원자량 (atomic weight): 자연계에존재하는원소의평균원자질량을원자질량단위 (amu) 로나타 낸것 질량분석법과원자량 질량분석법 (mass spectrometry) 으로원자의정확한질량측정 원자로부터전자를하나제거 하여양전하된이온의질량대전하량비 (mass to charge ratio, m/e) 를측정한다. 네온의동위원소 Neon-20 (19.992 amu, 0.9051), Neon-21 (20.994 amu, 0.0027), Neon-22 (21.991 amu, 0.0922) 질량스펙트럼 (mass spectrum) 은원자량을계산하는데필요한모든정보를제공 동위원소의 질량과분포분율 분포분율 (fractional abundance): 한원소의전체원자개수에서어느특정한동위원소가차지 하는분율 7
모든동위원소에대하여각동위원소의질량과분포분율을곱하여더하면원자량을얻을수 있다. Neon: 20.18 amu (19.992 x 0.9051 + 20.994 x 0.0027 + 21.911 x 0.0922) 2.5 주기율표 1869 년 Dmitri Mendeleev 와 J. Lothar Meyer 는각각, 원소들을원자량순서에따라가로열로 배열할경우세로열을구성하는원소들이유사한성질을가진다는것을발견 주기율표 (periodic table): 성질이같은원소들이주기적으로반복하여나타나도록모든원소를 행과열로정리한표 주기와족 주기 (period): 주기율표의가로행에있는원소 족 (group): 주기율표의세로열에있는원소 제 1 주기 : H, He (2) 제 2 주기 : Li Ne (8) 제 3 주기 : Na Ar (8) 제 4 주기 : K Kr (18) 제 5 주기 : Rb Xe (18) 제 6 주기 : Cs Rn (32) Lanthanides 포함 제 7 주기 : Fr 미완성 Actinides 포함 8
족 IA VIIIA 그리고 IB VIIIB ( 미국식 ) 또는 1-18 족 (IUPAC) A 족 주족원소또는전형원소 B 족 전이원소 금속, 비금속, 준금속 금속 : 일반적으로열전도도와전기전도도가좋고광택이나는물질 수은을제외한모든금속은상온에서고체 비금속 : 금속의성질을나타내지않은원소 대부분은기체, 유일한액체는브롬, 고체비금속은딱딱하고깨지기쉬움 준금속 : 금속성과비금속성을모두가지는원소 Si, Ge 반도체 ( 실온에서는전기전도도가낮지만고온에서는전기전도도가높다 ) 화학순물질 : 화학식과이름 2.6 화학식 ; 분자성순물질과이온성순물질 순물질의화학식 (chemical formula): 순물질에들어있는각원소의원자조성비를원소기호아 래첨자숫자로나타낸기호 분자성순물질 분자 (molecule): 강한인력즉, 화학결합으로연결된원자들의특정한조합 9
분자식 (molecular formula): 분자에들어있는각원소의정확한원자개수를표시한화학식 구조식 (structural formula): 한분자내에서각원자들이서로어떤순서로결합하고있는가를 보여주는화학식 분자성순물질 (molecular substance): 모두같은분자로구성된물질 예 ) Cl 2, P 4, S 8, He, Ne, 고분자등 고분자 (polymer): 작은크기의분자들이반복연결되어형성된매우거대한분자 단위체 (monomer): 반복연결된작은크기의분자들 이온성순물질 이온 (ion): 하나의원자또는분자가전자를얻거나잃어서음전하나양전하를가지고있는물 질 음이온 (anion): Cl - 양이온 (cation): Na + 이온성화합물 (ionic compound): 양이온과음이온으로구성된화합물 NaCl 결정 결정 (crystal): 원자, 분자또는이온들이 3 차원공간상에규칙적으로배열되어있는고체 10
이온성화합물의화학식은성분원소의가장작은정수비로나타내며, 전하는생략한다. Iron(III) sulfate = Fe 2 (SO 4 ) 3 화학식단위 (formula unit): 화학식에서원자나이온으로이루어진최소단위 2.7 유기화합물 유기화합물 (organic compounds): 수소, 산소, 그리고질소와같은원소들과결합된탄소로이 루어진분자성순물질 1957 년이래현재까지등록된화합물 1300 만개 ( 전체의 60%) 가유기화합물 탄화수소 : 탄소와수소로만구성된화합물 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 아세틸렌, 벤젠 난방및에너지의원천, 플라스틱의재료 유기화합물의특성은화합물내의원자단 ( 작용기 ) 의종류에의해결정 작용기 (functional group): 분자내에반응성이큰부분으로서예측가능한반응을하는원자그 룹. 예 ) 알코올 OH; 에테르 R-O-R; 카르복실산 R-COOH 2.8 간단한화합물의명명법 화학명명법 (chemical nomenclature): 화합물의체계적인명명법 무기화합물 (inorganic compound): 탄소가아닌다른원소로만들어진화합물 예외 ) CO, CO 2, CO 3 2-, CN - 11
간단한무기화합물의명명법 1 이온성화합물 이온들로구성되며, 대부분금속과비금속을포함한다 양이온이름을먼저그리고음이온이름을나중에붙인다 단원자이온 (monoatomic ion): 원자하나로구성된이온 단원자이온의전하량결정규칙 1. 대부분의주족금속원소 : 족번호와같은양전하를가진한종류의단원자이온을형성 2. 일부금속원소 : 둘이상의양이온을형성 ( 족번호와같거나족번호 -2 의양전하 ) 3. 대부분의전이원소 : 둘이상의양이온형성 ( 대부분 +2 가의양전하 ) 4. 비금속주족원소의단원자이온 : 족번호 -8 의전하량 단원자이온의명명법 1. 단원자양이온이한가지일경우 : 원소의이름을사용 2. 단원자양이온이둘이상일경우 : Stock system 원소의이름에해당양이온의전하량을 나타내는로마숫자를괄호안에표기 12
예 ) iron(ii), iron(iii) old system: Ferrous (Fe 2+ ), Ferric (Fe 3+ ) 3. 단원자음이온 : 원소어근에접미사 ide 를붙여서명명 예 ) Br - : bromide ion 다원자이온 (polyatomic ion): 두개이상의원자가화학적으로결합한상태로전하를가지고 있는이온 대부분은 oxoanions(oxyanions) 을이룸, 즉산소와또다른원소가결합된형태 Oxoanion 은원소어근에산소의개수에따른접미사 ate ( 많을경우 ) 또는 ite ( 적을경우 ) 를 붙여서명명 예 ) SO 3 2- : sulfite ion; SO 4 2- : sulfate ion 염소의 oxoanion 의경우 hypo- 와 per- 를추가적으로사용 Acid anion: 일부 oxoanion 들은하나또는그이상의수소이온 (H + ) 과결합 - hydrogen + 13
oxoanion 의이름 S 2 O 3 2- : thiosulfate 2 분자성이성분화합물 이성분화합물 (binary compound): 오직두종류의원소로구성된화합물 금속과비금속으로구성된이성분화합물은대부분이온성이기때문에이온성화합물로이름붙 인다. 분자성화합물 : 비금속원소들로만또는준금속원소들로만구성된화합물 분자성이성분화합물 분자식에나타난원소순서에따라원소이름을기초로하여명명 화학식에서의원소순서 14
화합물의비금속과준금속원자의표기순서 비금속성의크기로결정 즉, 화학식에서먼저쓰는원소는보다금속성이고, 나중에나올수록비금속성이크다 예 ) NF 3 이며 F 3 N 이아님 분자성이성분화합물명명법 1. 각원소이름을기준으로화학식에나타난순서에따라명명 2. 첫번째원소는원소이름을그대로사용 3. 두번째원소는원소어근에접미사 ide 를붙여서명명 4. 한원소가여러개있을경우, 그리스접두사를붙임 예 ) N 2 O 3 : dinitrogen trioxide; HCl: hydrogen chloride; CO: carbon monoxide; CO 2 : carbon dioxide; ClO 2 : chlorine dioxide; Cl 2 O 7 : dichlorine heptoxide 관습적으로 H 2 S: hydrogen sulfide; NO: nitric oxide; H 2 O: water; NH 3 : ammonia 3 산과산의음이온 산 (acid): 물에녹았을때수소이온 (H + ) 과음이온을만들어내는분자성화합물 HNO 3 (nitric acid) H + + NO 3-1) 산소산 (oxoacid): 수소와산소그리고다른원소로구성된산 수용액에서한개이상의수 소이온과한개의 oxoanion 을생성 Oxoanion 의이름에접미사를바꾸어명명 : -ite ion -ous acid 15
-ate ion -ic acid 2) 수소와다른비금속원소로구성된이성분화합물로수용액서산성인화합물 : Hydro- 비금속원소이름의어근 ic acid 예 ) HCl (aq): hydrochloric acid, HCl (g): hydrogen chloride 4 수화물 수화물 (hydrate): 결정내에물분자가약하게결합되어있는화합물 무수 (anhydrous) copper(ii) sulfate: CuSO 4 흰색결정 CuSO 4 5H 2 O: copper(ii) sulfate pentahydrate 청색결정 무수화합물의이름에물분자의개수를나타내는그리스접두사와 hydrate 라는단어를붙여 나타냄 16
화학반응 : 화학반응식 2.9 화학반응식쓰기 화학반응식 (chemical equation): 화학반응을화학식으로표현한것 반응물 (reactant) 생성물 (product) 화합물의상대적비율을계수로나타냄 각물질의상을괄호안에나타냄 : (s), (l), (g), (aq) 2NaNO 3 (s) 2H 2 O 2 (aq) Δ Pt 2NaNO 2 (s) + O 2 (g) 2H 2 O(l) + O 2 (g) 촉매 (catalyst): 자신은화학반응에의해변하지않으면서화학반응이빠르게진행되도록하는 물질 2.10 화학반응식의완결 화학반응식의완결 (balanced chemical equation): 화학반응식의계수를맞추어화살표양쪽의 각원소의원자개수를같게하는것 화학반응 분자내에서원자들이재배열하는것 예 ) 메탄의연소과정 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O 예 ) 프로판의연소 17
(1) C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O (2) C 3 H 8 + O 2 3CO 2 + H 2 O (3) C 3 H 8 + O 2 3CO 2 + 4H 2 O (4) C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O 가장작은정수로화학반응식을표시 # 반응식의왼쪽과오른쪽에서오직한화합물에만있는원소의원자개수를먼저맞춤 18