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2.1 원자론 2.2 원자의 구조 2.3 원자 번호, 질량수 및 동위원소 2.4 주기율표 2.5 분자와 이온 2.6 화학식 2.7 화합물의 명명 2.8 유기화합물의 소개

제 2장 원자, 분자 및 이온

2.1 원자론(Atomic theory)

• 물질의 구조에 대한 현대적 개념은 19세기 초 돌턴의 원자론으로부터 시작

• 기원전 5세기 그리스 철학자 데모크리토스(Democritus): 모든 물질은 나누어지지 않는 매우 작은 입자로 구성되어 있다고 생각 atomos (쪼갤 수 없음)라 이름함

• 많은 실험적 증거로 부터 19세기 돌턴(Dalton, 1766-1844)이 원자에 대한 가설 제시 돌턴의 원자론

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• 질량 보존의 법칙(law of conservation of mass) : 질량은 화학반응에서 생성되거나 소멸되지 않음 (라부아지에(Lavoisier)가 1789년에 발표)

– 산소 8g + 수소 1g = 물 9g

• 일정 성분비의 법칙(law of definite proportions, Proust’s Law) : 화학적으로 순수한 화합물은 그 표본이 다를지라도 포함하고 있는 구성 원소의 질량비가 항상 일정 (Proust가 1799년에 발표)

(예: 모든 물(H2O) 시료에서 수소와 산소의 질량비는 11.2 %와 88.8 %)

- 물 9g, H:O=1g:8g

- 물 18g, H:O=2g:16g

• 배수 비례의 법칙(law of multiple proportion): 두 원소가 결합하여 둘 이상의 화합물을 만들 때 한 원소의 일정한 질량과 결합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립 (Dalton이 1803년 발표)

– 산소 8g + 수소 1g = 물

– 산소 8g + 수소 2g = 과산화수소

화합물에 관한 자연 법칙들

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1. 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성

2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며, 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 동일. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와 서로 상이

3. 화합물은 두 개 이상의 원소의 원자로 구성. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 혹은 간단한 분수

4. 화학 반응은 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함. 즉 원자는 화학 반응에 의해서 생성되거나 소멸되지 않음

돌턴의 원자론 (1808년)

2.2 원자의 구조

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• 돌턴은 원자를 매우 작고 더 이상 나누어지지 않는 것으로 생각했으나 19~20세기 연구 결과로 원자에는 전자, 양성자, 중성자가 존재한다는 것이 규명됨

• 전자(electron)의 발견: 영국 물리학자 톰슨(J. J. Thompson, 1856~1940) 음극선관(cathode ray tube) 실험으로 발견. 1906 노벨 물리학상 수상.

음극선을 구성하는 음의 전하를 띤 작은 입자를 전자라 명명

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전자 1개의 전하량과 질량

- 톰슨은 전자의 질량과 전하비를 결정 -1.76×108 C/g

- 밀리컨(R. A. Milikan, 1868~1953)이 분무판 사이의 전압과 방울의 질량으로부터 전자 1개의 전하를 측정 1.602×10-19 C

- 전자 1개의 질량 = 9.109 382×10-28 g

밀리컨(Millikan)의 기름방울 실험

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(uranium compound)

방사능

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핵과 양성자의 발견:

• 1900년 초까지 원자는 전자가 있으며, 전기적으로 중성이기 때문에 전자의 음전하에 반대되는 양전하가 존재해야 한다는 사실을 인식

• 이에 근거하여 톰슨은 양전하가 원자 전체에 퍼져있는“건포도 푸딩” 모양의 원자 모형 제안

• 1910년 러더포드(Ernest Rutherford)가 알파(α) 입자 산란 실험을 통하여 핵의 존재를 확인

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러더포드의 실험:

• 전자보다 7000배 무겁고 전자 전하보다 두 배 크기의 양전하를 가진 알파(α) 입자를 얇은 금박에 충돌 시킨 후 알파(α) 입자의 경로를 관측

• α 선을 얇은 금박에 쏠 때 대부분의 입자들은 휘지 않고 금박을 통과하나 아주 작은 수(20,000개마다 하나 꼴로)의 입자들이 굴절되고 일부는 입자 방출원 쪽으로 반사

• 러더포드의 설명: 원자의 대부분은 빈공간이기 때문에 대부분의 α 선은 통과. 원자의 양전하는 원자의 중심부의 작은 공간인 핵에 집중되어 있고, 이것에 충돌하는 α 선은 반사됨

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원자 반지름~ 100 pm = 1 x 10-10 m

핵 반지름~ 5 x 10-3 pm = 5 x 10-15 m

원자의 러더퍼드 모델

이 운동장이 원자의 크기라면 핵은 운동장 가운데에 있는 작은 조약돌이다.

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핵의 중성자 발견 Chadwick’s Experiment (1932)

H 원자: 1 p; He 원자: 2 p

He의 질량/H 의 질량 = 2

측정된 질량비 = 4

α + 9Be 1n + 12C + energy

중성자(n)는 전하가 없다. (charge = 0)

n 의 질량 ~ p의 질량 = 1.67 x 10-24 g

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전자, 양성자, 중성자의 비교

• 중성 원자에서 양성자수 = 전자수

• 핵에서 중성자수는 양성자나 전자의 수와 직접 관련이 없음

• 원자의 질량은 대부분 양성자와 중성자의 질량

2.3 원자 번호, 질량수 및 동위원소

원자의 표기:

• 원자 번호(Atomic number, Z) = 핵에 있는 양성자의 수

• 핵에 있는 양성자의 수는 전자의 수와 같으므로 원자 번호 = 양성자의 수 = 전자의 수

• 질량수(Mass number, A) = 양성자 수 + 중성자 수 = 원자 번호 (Z) + 중성자 수

• 동위원소(Isotopes) : 원자 번호는 같지만 질량수가 다른 원자

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X A Z

질량수 원자 번호

원소 기호

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2.4 주기율표

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2.5 분자와 이온

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분자(molecule): 화학적 힘(화학 결합)에 의해 일정한 배열을 유지하는 두 개 이상 원자의 응집체

-

-이원자 분자(diatomic molecule) : 두 개의 원자만을 포함

-다원자 분자(polyatomic molecule) : 세 개 이상의 원자를 포함하는 분자

H2 H2O NH3 CH4

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이온 (ion) : 알짜 양전하나 알짜 음전하를 가진 원자 또는 분자

• 양이온(cation) : 양전하를 갖고 있는 이온

• 음이온(anion) : 음전하를 갖고 있는 이온

Na 11 양성자 11 전자

Na+ 11 양성자 10 전자

Cl 17 양성자 17 전자

Cl- 17 양성자 18 전자

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• 단원자 이온(monatomic ion) : 하나의 원자만 포함

• 다원자 이온(cation) : 두 개 이상의 원자 포함

Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3-

OH-, CN-, NH4+, NO3

-

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Common Ions Shown on the Periodic Table

2.6 화학식

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화학식(chemical formula): 분자(공유결합 화합물)나 이온 결합 화합물의 조성을 화학 기호로 나타낸 것

-분자식 , 구조식, 실험식

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분자식은 순물질의 가장 작은 단위에 있는 각 원소의 원자 개수를 정확히 나타낸다.

실험식은 순물질을 구성하는 원소들 간의 가장 간단한 비율을 나타낸다.

H2O H2O

분자식 실험식

C6H12O6 CH2O

O3 O

N2H4 NH2

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The ionic compound NaCl

이온 결합 화합물의 화학식

이온 결합 화합물(ionic compounds) : 양이온과 음이온의 결합으로 구성, 분리된 분자 단위로 되어 있지 않다.

• 화학식은 실험식과 동일

• 양이온과 음이온의 전하의 합은 0

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Formulas of Ionic Compounds

Al2O3 2 x +3 = +6 3 x -2 = -6

Al3+ O2-

CaBr2 1 x +2 = +2 2 x -1 = -2

Ca2+ Br-

Na2CO3

2 x +1 = +2 1 x -2 = -2

Na+ CO32-

2.7 화합물의 명명

• 분자 화합물

• 이온결합 화합물

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이온결합 화합물의 명명법 우리말 명명법: • 음이온을 먼저 부르고 다음에 양이온을 명명 • 양이온은 원소명을 그대로 사용 • 음이온은 음이온 원소 이름에‘-화’를 붙여 읽음 (음이온 끝에 영어명의 -ide’에 해당하는‘-화를 붙임)

NaCl 염화 소듐

KBr 브로민화 포타슘

Mg(OH)2 수산화 마그네슘

KNO3 질산 포타슘

• 슈토크 체계 (전이금속이온결합 화합물의 명명)

FeCl2 2 Cl- -2 so Fe is +2 염화 철(II)

FeCl3 3 Cl- -3 so Fe is +3 염화 철(III)

Cr2S3 3 S-2 -6 so Cr is +3 (6/2) 황화 크로뮴(III)

분자 화합물의 명명법 • 분자 내에 있는 두 원소 중에서 어느 하나는 양이온과 유사하고 다른 하나는 더 음이온과 유사하다고 가정하고 명명 • 양이온은 원소명 그대로 쓰고 음이온은 원소명 끝에 -화를 붙임 (예: HF 플루오린화수소) • 주기율표에서는 왼쪽 아래로 갈수록 더 양 이온성이고 오른쪽 위로 갈수록 더 음 이온성

CO 일산화탄소 (C는 4A족, O는 6A족) CO2 이산화탄소 PCl3 삼염화인 (P는 5A족, Cl은 7A족) SF4 사플루오린화황 (S는 6A족, F는 7A족) N2O4 사산화이질소 (N은 5A족, O는 6A족)

•주의사항: 이름의 앞쪽에 있는 원소는 접두사(일)를 사용하지 않음

PCl3 삼염화인 O 삼염화일인 X

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• 비금속은 가끔 다른 비율로 결합하여 다른 화합물들을 만들기 때문에 명명법에서는 각 원소마다 존재하는 수를 분명히 표시하기 위해 수에 관한 접두사를 포함해야만 함

명명법에서의 예외 • 수소를 포함하는 분자 화합물의 명명에는 그리스어 접두사를 사용하지 않음 • 이들 중 많은 화합물은 비체계적인 관용명이 사용됨

• 많은 경우 수소의 수를 명확히 나타내지 않음

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• 산은 물에 용해되었을 때 수소 이온 (H+)을 생성하는 물질

• 수소와 다른 원소로 이루어진 이성분 산의 경우‘수소’뒤에 ‘산’을 붙임

산의 명명법

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• 수소, 산소 및 다른 원소(중심 원소)를 포함하는 산소산:

-화학식은 수소, 중심원소, 산소 순으로 표기

• 중심 원자는 같지만 산소 원자가 다른 두 개 이상의 산소산의 경우: (예: HClO4, HClO3, HClO2, HClO)

기준: HClO3 염소산

1.“-산”에 산소 원자 한 개를 첨가할 때: 그 산을 “과...산”

HClO4 과염소산

2.“-산”으로부터 산소 원자 한 개를 제거할 때: 그 산을 “아...산”

HClO2 아염소산 3.“-산”으로부터 산소 원자 두 개를 제거할 때: 그 산을

“하이포아...산”

HClO 하이포아염소산

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산소산 음이온의 명명법

1.“-산”에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 “-산 이온”

H2CO3 (탄산) CO3 2- : 탄산 이온

2.“-아…산”=> 음이온의 끝은 “아…산 이온”

HClO2 (아염소산) ClO2- : 아염소산 이온

3. 음이온에서 전부가 아닌 일부 수소가 제거되었다면, 음이온의 이름에 수소 이온의 수를 나타냄

H2PO4- 인산이수소 이온

HPO4 2- 인산수소이온

PO43- 인산 이온

산소산과 산소산 음이온의 명명법 정리

염기의 명명법 • 염기는 물에 용해되었을 때 수산화 이온 (OH-)을 생성하는 물질

NaOH 수산화 소듐

KOH 수산화 포타슘

Ba(OH)2 수산화 바륨

수화물의 명명법 • 수화물은 특정 개수의 물 분자가 결합되어 있는 화합물

- 가열하여 물 분자를 떼어낸 물질은 무수물(anhydrous)

BaCl2•2H2O

LiCl•H2O

MgSO4•7H2O

Sr(NO3)2 •4H2O

염화 바륨 이수화물

염화 리튬 일수화물

황산 마그네슘 칠수화물

질산 스트론튬 사수화물

CuSO4•5H2O CuSO4

2.7 유기 화합물의 명명

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• 유기화학 : 탄소 화합물을 다루는 화학의 한 분야

• 탄화수소: 탄소와 수소만을 포함하는 화합물

• 알케인: 탄화수소의 한 부류