원자, 분자, 이온2

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지

Early Question: Is matter continuous or noncontinuous?

Parmenides (BC 515?∼BC 445?) : ＜있는 것(토에온)＞은 있고 ＜없는 것(토메에온)＞은 없다고 하는 전제(前提)에서 불생불멸·불가분·불변부동이며, 완결된 둥근공과 비슷하다고 하는 ＜있는 것＞의 속성을 끌어내고, ＜있는 것＞을 우리에게 보여주는 이성만이 진리를 포착하며 생성·소멸 또는 변화를 믿게 하는 감각은 오류의근원. (1원론)

이오니아학파 (BC 5세기) : 불·공기·물 (3원소설)

엠페도클레스 (BC 5세기) : 불·공기·물·흙 (4원소설)

변화 <= 불·공기·물·흙 + 사랑, 미움

Democritos (BC 4세기) : atomos (noncontinuous)

Plato, Aritotle : continuous

철학

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지

16세기 이전

연금술(Alchemy): 값싼 금속으로부터 금을 만들고자 하였던 수 많은 시도

19 세기

Antoine Lavoisier: 연소이론의 확립(산소와 결합)

Law of Conservation of Mass (질량보존의 법칙)

17세기

Robert Boyle: 정량적인 실험을 수행하였던 첫 “화학자”

"The Skeptical Chemist" – 물질은 둘 또는 그 이상의 더 간단한물질로 쪼개어 지지 않는 한 원소이다. (Noncontinuous)

18 세기

George Stahl: 타는 물질로부터 Phlogiston이 나온다.

Joseph Priestley: 산소의 발견(“dephlogisticated air.”)

연소에 대한 많은 연구: 이산화탄소, 질소, 수소, 산소의 발견

연금술에서산소까지

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지

19 세기

Joseph Proust: Law of Definite Proportion (일정성분비의 법칙)

”주어진 화합물에서 구성 원소의 질량비는 항상 일정하다.”

예) 이산화탄소에서 산소:탄소의 질량비 = 2.67:1

John Dalton의 생각: 원자는 원소를 구성하는 입자이다. 화합물은 다른종류의 원자들이 조합하여 이루어진다. (가설)

John Dalton : Law of Multiple Proportion (배수비례의 법칙)

“두 원소가 화합해 2가지 이상의 화합물을 만들 때한 원소의 일정량과 화합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.”

Dalton

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지

Compound A 1.750g 4Compound B 0.8750g 2Compound C 0.4375g 1

Mass of Nitrogen that combindswith 1g of Oxygen

John Dalton의 생각: 원자는 원소를 구성하는 입자이다. 화합물은 다른종류의 원자들이 조합하여 이루어진다. (가설)

John Dalton : Law of Multiple Proportion (배수비례의 법칙)

“두 원소가 화합해 2가지 이상의 화합물을 만들 때한 원소의 일정량과 화합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.”

Case 1:

Case 2:

Oxygen

Nitrogen

무한한 조합이 가능하지만 Dalton의 가설 “개개의 원소는 특정한원자들로 이루어져 있고 화합물은 원자들의 조합으로 형성된다.”를뒷받침

Dalton

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지

1. 각 원소들은 아주 작은 입자로 구성되어 있으며, 이들을 원자라 부른다.

2. 한 원소의 모든 원자들은 질량도 같고질량 이외의 성질도 같다. 그러나, 한원소의 원자들과 다른 원소의 원자들은 다르다.

3. 화학 반응에 의해 한 원소의 원자가 다른 원소의 원자로 바뀌지 않는다;화학반응에 의해 원자들이 생성되거나 소멸되지 않는다.

4. 두 원소 이상의 원자들이 결합하면 화합물이 생성된다; 한 화합물을 구성하는 원자들의 상대적인 수와 성질은 항상 같다

Dalton의 원자론

Dalton

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지 Faraday

이제 사람들은 원자의 존재를 믿게 되었다.원자는 어떤 모양일까?

1820 M. Faraday:

Electrolysis(전기분해)

많은 이온의 e/m (전하/질량) 비 결정

e/m for H+ = 108C/kg

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지 음극선

1800 중반: 진공관의 음극과 양극 사이에 높은 전압을 걸어주면 음극에서 양극

으로 방전이 일어남을 관찰. 음극선(Cathod ray)

1885 E. Goldstein : 양으로 하전된 아원자입자(subatomic particle)

1885 Balmer: 수소 스펙트럼

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지Thomson의

원자 모형

1898 - 1903 J. J. Thomson: 음극선관 실험 (Cathod-ray tube experiment)

음극선의 특징은 음극 물질의 종류와 관계없이 일정하다.

음극선은 음전하를 띤 입자의 흐름이다.

전자(electron)의 발견으로 인정

“Plum-Pudding” 원자모형

중성의 물질에서 방출된 전자

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지

1898 - 1903 J. J. Thomson: 음극선관 실험 (Cathod-ray tube experiment)

전자

Fmag = q v x B

Fel = q E

e/m for e- = ~ -1.2x1011C/kg

(현재, 1.76x1011 C/kg)

e/m for H+ = 108 C/kg

전자는 양성자에 비해 훨씬 더 큰 전하를 가지고 있거나 훨씬 적은 질량을 가지고 있을 두 가지 가능성

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지 Millikan

1909 R. Millikan: 기름방울실험(Oil-droplet experiment)

mg = qE

q = n x 1.60 x 10-19 C

e- = -1.60 x 10-19 C

e/m for e- = -1.2x1011C/kg

me = 1.3x10-30 kg

e/m for H+ = 108C/kg

mp = 1.2x10-27 kg

(현재, 9.11 x 10-31 kg)

(현재, 1.67 x 10-27 kg)

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지 방사능

1896 Henri Becquerel:

우라늄 화합물 연구 중 고에너지의 방사선이

자발적으로 방출됨을 관찰 => 방사능(radioactive)의 발견

한 원자가 자발적으로 방출하는 방사선

Curie 부부: 방사능, 방사성 물질에 대한 연구

Marie Curie, Pierre Curie, Henri Becquerel => 1903 노벨상 공동 수상

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지 방사능

g-ray: 전하 없음 고에너지 방사선

b-ray: 음전하의 흐름 고속으로 방출되는 전자(음극선)

a-ray: 양전하의 흐름 (전하 = -2 x e-, 질량 = 7400 x me) He의 핵

R. Rutherford: 세 종류의 방사선 발견

먼 옛날부터 러더포드의 원자까지R. Rutherford

1911 R. Rutherford: a-입자산란실험(a- particle scattering experiment)

산란실험의 해석

Rutherford의

원자 모형

Thomson 모형으로

부터의 예상

원자 구조의 현대적 관점

1 Å = 10-8 cm, 1 amu = 1.66054 x 10-24 g, 1 전하 = 1.60 x 10-19 C

핵 원자

원자 구조의 현대적 관점

원자들은 어떻게구별되는가?

양성자의 개수

원소기호

질량수 (= 양성자의 개수+ 중성자의 개수)

원자번호(= 양성자의 개수)

동위원소(Isotopes)(양성자의 개수는 같으나 중성자의 개수

는 다른 원자들)

탄소-12 탄소-13

탄소

C12

6

6 protons6 neutrons

6 electrons

C13

6

6 protons7 neutrons

6 electrons

원자량(Atomic Weight)

“12C 동위원소의 질량을 12 amu로 한다.”

= 12 amu (atomic mass unit, 원자질량단위)

amu의 정의

탄소 C12

66 protons6 neutrons

6 electrons

의 질량 = 1.9926 x 10-23 g

amu

각 동위원소의 질량은 amu 단위로 질량수와 비슷

1H의 질량 = 1.0078 amu, 16O의 질량 = 15.9949 amu

원자량(Atomic Weight) 원자량

=> 원자량 (amu 단위)C => 12.011 그러나 원자질량이 12.011 인 탄소의 동위원소는 없음

??

자연계에 있는 각 원소는 동위원소들이 섞여있다.Carbon = 98.93% 12C

1.07% 13C<0.01% 14C

C의 평균원자질량 = (0.9889)(12amu) + (0.0107)(13.00335 amu) = 12.01 amu C의 원자량 = 12.01 amu

동위원소를 분리하는 것은 매우 어려운 일이므로, 탄소 한 덩어리는 마치 12.01C 처럼 느껴진다.

질량 분석기: 입자의 질량과 상대적존재비를 매우 정확하게 측정

=> 원자량과 분자량 계산

3

1

Cl의 원자량

= 34.969 amu x (3/4) + 36.966 amu x (1/4)

= 35.469 amu

34.969 36.966

원자량(Atomic Weight) 질량분석기

주기율표(Periodic Table)

이름 시기 업적

Aristotle~330 BC

4원소설: 흙, 공기, 불, 물

Antoine Lavoisier

~1770-1789

처음으로 33 원소들에 대하여 정리하여 기록금속과 비금속 구별

Jöns Jakob Berzelius

1828원자량 표 개발원소의 기호화

Johann Döbereiner

1829

'triads' 개발: 원소들을 비슷한 성질을 가진 3 원소의 그룹으로 만듦Lithium, sodium & potassium => a triad.Calcium, strontium & barium => a triad.Chlorine, bromine & iodine => a triad.Law of triad: 하나의 triad 에서 중간의 원자량을 가진 원소의 원자량은 다른 두 원소의 원자량의 평균이다.

John Newlands

1864알려진 원소들(>60)을 원자량 순으로 정리 => 첫 번째와 아홉 번째 원소가 비슷한 성질, 두 번째와 열 번째 원소가 비슷한 성질, … 을 갖는다는 것을 발견 =>'Law of Octaves' 제안

주기율표의 발전

from http://mooni.fccj.org/~ethall/period/period.htm

주기율표(Periodic Table) 주기율표의 발전

이름 시기 업적

LotharMeyer

186956개의 원소로 이루어진 주기율표 편찬. (<=원자량 순으로 배열하였을 때부피의 주기성에 근거하여 편찬)Mendeleev의 주기율표와 거의 비슷

Dmitri Mendeleev

1869

원자량에 근거한 주기율표 개발.(<=비슷한 성질을 가진 원소들의 주기성을 바탕으로 개발)알려져 있지는 않았지만 있을 것이라고 예측한 원소의 자리는 비워둠 (예, gallium, scandium, germanium)

from

http://mooni.fccj.

org/~ethall/period

/period.htm

주기율표(Periodic Table) 주기율표의 발전

원소를 원자번호 순으로 배열하면, 주기적인 특성이 나타난다.

양성자의 발견, 전자의 존재, 원자번호의 개념이 알려지기도전에 현재의 주기율표와 거의비슷한 주기율표를 만든 것은대단한 통찰력이다.

주기율표(Periodic Table) 현대의 주기율표

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18족(Group)

금속

준금속

비금속현대의 주기율표: 원소를 원자번호 순으로 배열

원자번호원자기호원자량

칼코겐할로겐불활성기체(희유기체)

앝칼리토금속알칼리금속

주기(Period)

족(Group)

분자와 분자 화합물

자연계에서의 존재 형태

하나의 원자 상태로 존재

여러 개의 원자가 결합되어 있는 금속이나 분자,또는 이온 상태로 존재

금속: 무수한 금속 원자가 금속결합하여 이루어진 집단분자: 몇 개의 원자가 공유결합하여 이루어진 집단이온: 전하를 띤 하나의 원자 또는 둘 이상의 원자가 결합된 집단이 전하를 띤 것

2원자분자: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2 (7 종류)

분자화합물: 두 종류 이상의 원자로 이루어진분자 (~ ∞)

분자

분자와 분자 화합물 화학식

화학식: 물질의 화학적 조성을 나타낸 식

실험식: 화합물을 구성하는 각 원소의 원자 개수의 최소 정수비

분자식: 분자를 구성하는 원소의 종류와 개수를 나타낸 식

분자식 => 실험식: H2O => H2O, H2O2 => HO, B2H6 => BH3

분자를 표현하는 방법

분자식

구조식

투시도

공-막대 모형공간채움 모형

이온과 이온결합 화합물 이온

양이온 (Ex: Na+, Mg2+, NH4+) 음이온 (Ex: Cl-, SO4

2-)

Na → Na+ + e-

11 e- 10 e-

11 p+ 11 p+- e-

Cl + e- → Cl-

17 e- 18 e-

17 p+ 17 p+

+ e-

이온: 전하를 띤 하나의 원자 또는 둘 이상의 원자가 결합된 집단이 전하를 띤 것

다원자이온

이온전하 예측: 일반적으로 원자들은 주기율표상에서 가장가까이 있는 희유기체와 같은 수의 전자를 가지려는 경향이 있다.

이온과 이온결합 화합물 이온결합화합물

Na(s) Cl2(g) NaCl(s)

분자: 공유결합(Covalent bond)에의해 형성(전자를 공유)

금속: 금속결합(Metallic bond)에 의해형성

이온결합화합물(Ionic compound): 양이온과 음이온 사이의 인력에의해 형성

Na → Na+ + e-

11 e- 10 e-

11 p+ 11 p+- e-

Cl + e- → Cl-

17 e- 18 e-

17 p+ 17 p+

+ e-

거의 대부분(100%는 아님)

이온결합화합물: 금속 원자-비금속 원자

분자: 비금속원자-비금속 원소

이온과 이온결합 화합물 이온결합화합물

이온결합화합물의 예측: 화합물들은 전기적으로 중성

이온결합화합물(이온화합물)

구조: 양이온과 음이온이 3차원적으로 배열

화학식: 단지 양이온과 음이온의 조성비를 표시 (NaCl)

Na, O로 이루어진 이온화합물 => Na+, O2- => Na2OFe, O로 이루어진 이온화합물 => Fe3+, O2- => Fe2O3

=> Fe2+, O2- => FeOAl, F로 이루어진 이온화합물 => Al3+, F- => AlF3

무기화합물 명명법

유기화합물: 탄소를 기본으로 하는 화합물(H, O, N, S 등을 포함)무기화합물: 그 밖의 모든 화합물

이온결합화합물의 이름과 화학식

화학식: 양이온의 원소기호-음이온의 원소기호 (NaCl, MgO, Fe2O3)이름: 양이온의 이름-음이온의 이름(영어)

음이온의 이름-양이온의 이름(한글)

이온결합화합물의 이름과화학식

무기화합물 명명법

양이온의 이름

a. 금속 원자로부터 만들어지는 양이온은 금속과 같은 이름을 갖는다.

b. 만일 금속이 전하가 다른 두 가지 이상의 양이온을 생성하면, 금속 이름 뒤의 괄호안에 로마 숫자로 양전하를 표시한다.

c. 비금속 원자로부터 생성되는 양이온은 -ium으로 끝나는 이름을 갖는다.

양이온의 이름

무기화합물 명명법 양이온의 이름

+

+

+

+

무기화합물 명명법 양이온의 이름

무기화합물 명명법

음이온의 이름

a. 단원자 음이온은 원소 이름의 끝부분을 접미사 -ide (-화) 로 바꾼다.한글 표기에서는 접미사‘-화’를 붙인다.

몇 가지 간단한 다원자 음이온도 -ide (-화) 로 끝나는 이름을 갖는다

음이온의 이름

무기화합물 명명법

음이온의 이름

b. 산소를 포함하는 다원자이온(산소음이온, oxyanion)은 -ate (-산) 또는 -ite(아-산) 으로 끝나는 접미어를 갖는다.

음이온의 이름

어미의 -ate (-산) 는 원소의 가장 흔하거나 대표적인 산소음이온에 사용하고, -ite (아-산) 은 같은 전하를 갖지만 산소가 하나 적은 산소음이온에 사용한다.

산소가 할로젠과 결합할 때처럼 산소음이온의 종류가 세 가지 이상으로 늘어날 때는 접두사를 사용한다. 접두사 per- (과) 는 -ate (-산) 로 끝나는 산소음이온보다 산소 원자가 하나 더 있을 때 사용하고, hypo- (하이포) 는 -ite (아-산) 로 끝나는 산소음이온보다 산소 원자가 하나 적을 때 사용한다.

(sulfate ion)

아염소산(chlorite)

무기화합물 명명법

음이온의 이름

음이온의 이름

무기화합물 명명법 음이온의 이름

-

무기화합물 명명법 음이온의 이름

무기화합물 명명법

이온결합화합물의 이름과 화학식

화학식: 양이온의 원소기호-음이온의 원소기호 (NaCl. MgO, Fe2O3)이름: 양이온의 이름-음이온의 이름(영어)

음이온의 이름-양이온의 이름(한글)

이온결합화합물의 이름과화학식

무기화합물 명명법

산의 이름과 화학식 (산: H+를 내어 놓을 수 있는 물질)

화학식: HCl, H2SO4

산의 이름과 화학식

이름이 -ide로 끝나는 음이온의 산은 -ide를 -ic로 바꾼고 접두사 hydro-를 붙인다. 한글 이름에서는 음이온의 -화를 -화수소산으로 바꾸어 준다.

이름

무기화합물 명명법

산의 이름과 화학식 (산: H+를 내어 놓을 수 있는 물질)

산의 이름과 화학식

이름이 -ate 또는 -ite로 끝나는 음이온으로부터 만들어진 산의 이름을 붙일 때,-ate로 끝나는 음이온은 -ic의 접미사로 바꾸어 주며, -ite로 끝나는 음이온은 -ous

의 접미사로 바꾸어 준 후 acid를 붙인다. 음이온 이름의 접두사는 산의 이름에서그대로 유지한다. 한글 이름에서는 이온을 뺀 이름을 산의 이름으로 사용한다.

무기화합물 명명법

산의 이름과 화학식 (산: H+를 내어 놓을 수 있는 물질)

산의 이름과 화학식

무기화합물 명명법이성분 분자 화합물의

이름과 화학식

1. 주기율표상에서 더 왼쪽에 있는(금속에 가까운, 전기음성도가 작은) 원소의 이름을 대개 먼저 쓴다. 이 규칙에 예외가 되는 것은 산소, 염소, 브로민, 아이오딘(플르오린을 제외한 할로젠 원소) 화합물의 경우이다. 이들 화합물에서는 산소를마지막에 쓴다.2. 두 개의 원소가 주기율표상에서 같은 족에 속하면, 아래쪽 원소를 먼저 쓴다.3. 뒤에 쓰는 원소(전기음성도가 큰 원소)의 이름에 -화 (-ide) 를 접미사로 붙인다.4. 각 원소의 원자수를 나타낼 때 그리스어 접두사를 사용한다.

간단한 유기화합물

탄화수소: 탄소와 수소로만 구성된 유기화합물이다.

알케인(alkane): 가장 간단한 탄화수소

메테인 에테인 프로페인

알코올(alcohol): 알케인의 H 원자를 -OH 원자단으로 바꾼 것

메탄올 에탄올 프로판올