연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.1

Chapter 2

원자, 분자, 이온Atoms, Molecules, and Ions

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.2

무엇을 배우나

물질의구조를설명할수있도록

물질의구성요소

• 원자• 분자• 이온주기율표

화합물

• 화학식• 이름

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.3

2.1 원자와 원자론

원자론

• Democritus(460-370BC)• 19Th초기 : 물리학과수학의발전

• Basic Rules of Science질량보존의법칙

일정성분비의법칙

배수비율의법칙

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.4

원자구조의 발견:milestone

1630 1804 1896 1897 1898 1909 1913 1914 1932

원자론확립

전자의발견

원자핵발견

양성자발견

전하를띤입자가서로끌거나미는현상의발견

방사능발견

방사능정의

전자의질량결정

중성자발견

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.5

Dalton’s Atomic Theory

• 원소는원자라고하는물질로구성되어있다.

•같은원소의원자는같은화학적특성을가지고다른원소의원자는질량과화학적특성이다르다.

•화학반응에서원자는한물질에서다른물질로이동할뿐생성되거나소멸되지않는다.

•하나혹은둘이상의원소가모여하나의화합물을형성한다.

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Consequences of Dalton’s theory

In forming carbon monoxide, 1.33 g of oxygen combines with 1.0 g of carbon.

In the formation of hydrogen peroxide 2.66 g of oxygen combines with 1.0 g of hydrogen.

Law of Definite Proportions(배수비율의법칙): 여러화합물에서한원소의일정질량과결합하는다른원소의질량비는작은정수이다.

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2.2 원자의구성요소

• 원자핵– 양성자– 중성자

• 전자

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전하를 가진 입자의 거동

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.9

J. J. Thomson(1897)

전자의존재 : Cathode ray tube

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.10

원자핵의존재 : Rutherford의산란실험

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.11

원자의 구성요소

Atomic Diameter 10-8 cm Nuclear Diameter 10-13 cm

Particle Mass Chargekg amu Coulombs (e)

Electron 9.109 x 10-31 0.000548 –1.602 x 10-19 –1Proton 1.673 x 10-27 1.00073 +1.602 x 10-19 +1Neutron 1.675 x 10-27 1.00087 0 0

1 Å

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Scale of Atoms

Useful units:

1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10-24 kg1 pm (picometer) = 1 x 10-12 m1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm

가장무거운원자의질량이겨우 4.8 x 10-22 g이고직경은겨우 5 x 10-10 m.

Biggest atom is 240 amu and is 50 Å across.

Typical C-C bond length 154 pm (1.54 Å)

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Measuring atomic masses

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핵 기호(Nuclear Symbol)

A

Z

Z : 원자번호

= 양성자수

= 중성원자의전자수

: 원소의특성

***모든 H원자는 1개의양성자를가지고있고,

모든 He 원자는 2개의양성자를가지고있다.

A : 질량수

= (양성자수 + 중성자수)

같은원소의원자라도다른질량수를가질수있다 : 동위원소

Sy : 원소기호

Sy

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동위원소(isotope)

atomic nuclear massprotons neutrons number symbol number

carbon-12 6 6 6 12

carbon-14 6 8 6 14

126C

146C

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Subatomic Particle 존재의 증거

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.17

핵의 안정도: Belt of stability

• 안정한원소의중성자/양성자(n/p) 비가원자번호가증가함에따라증가함 : 불안정한동위원소는방사성(radioactivity)동위원소

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.18

The Periodic tableAlkali Metals

Alkaline Earths

Transition Metals

Halogens

Noble Gases

Lanthanides and Actinides

Main Group

Main Group

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.19

2.3 주기율표 개론

• 주기(Period)와족(Group)• 주족(main group elements)과전이금속(transition metals)•금속(metal),비금속(nonmetal), 준금속(metalloid: B, Si, Ge, As, Sb, Te)

•주기율표로부터•Read atomic masses.•Read the ions formed by main group elements.•Read the electron configuration.•Learn trends in physical and chemical properties.

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2.4 분자와 이온

분자 : 일반적으로비금속원자들의공유결합(covalent bond)

– 분자식(molecular formula)

NH3, H2O, N2, … C2H6, CH4O

– 구조식(structural formula)

– 축소구조식(condensed structural formula)

CH3CH3, CH3OH

Ball and stick Model

H

H

H

H

OC

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분자상원소들과물리적상태

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이온

• 원자가전자를얻거나잃어서전하를띤입자

• 양이온(cation)과음이온(anion)

• 단원자이온의생성

금속이온은양이온을

Na atom (11p+, 11e -) → Na+ ion (11p+, 11e -) + e -

비금속이온은음이온을

F atom (9p+, 9e -) + e - → F - ion (9p+, 10e -)

• 비활성기체구조를한단원자이온의전하

Cation: Group 1 (Li+, Na+, K+…); Group 2 (Ma+2, Ca+2…); Al3+

Anion: Group 16 (O2-, S2-… ); Group 17 (F-, Cl-, Br-…. ); N3-

• 전이금속과후전이금속의양이온 :Fe2+, Fe3+

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다원자이온

다원자양이온과산소산이온

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2.5 화합물의 화학식

전기적중성 (electroneutrality)의법칙calcium fluoride: Ca2+, F- : CaF2

aluminum nitrate: Al3+, NO3- : Al(NO3)3

sodium dihydrogen phosphate: Na+, H2PO4- : NaH2PO4

연세대학교공학기초화학강의노트 제2장 2.25

2.6 화합물의 이름

이온화합물

이성분분자화합물

산

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이온화합물

• 음이온먼저다음에양이온(영어는 cation + Anion)

예) Na2SO4 황산나트륨 sodium sulfate

• 전이금속의전하는로마자로표시

예) Fe(NO3)3 질산철(III) iron (III) nitrate

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• 이온화합물계속 : 산소산음이온의이름

per- , -ate , -ite, hypo-

과-**산, **산, 아**산, 하이포아**산

예) Calcium hypochlorite: Ca(ClO)2 하이포아염소산칼슘

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이성분 분자화합물

• 뒤원소화 앞원소원자수표시:일, 이, 삼, 사…

• 영어: 앞원소뒤원소ide원자수는그리스접두사사용

mono, di, tri, tetra, penta, hexa, pepta, octa, nona, deca뒤에 a가오면 o 생략

SF6 sulfur hexafluoride 육플루오르화황

N2O3 dinitrogen trioxide 삼산화이질소

N2O5 dinitrogen pentoxide 오산화이질소

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일반명

H2O 물 PH3 포스핀

H2O2 과산화수소수 AsH3 아르신

NH3 암모니아 NO 산화질소

N2H4 히드라진 N2O 아산화질소

C2H4 아세틸렌 CH4 메테인

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산(acid)

이성분산(Binary Acids):HCl hydrogenchloride hydrochloric acid 염화수소 염산(염화수소의수용액)

HBr hydrogenbromide hydrobromic acid 브롬화수소브롬산

산소산(Oxoacids):ate salt → ic acidite salt → ous acid

예:HClO4 perchloric acid 과염소산HClO3 chloric acid 염소산HClO2 chlorous acid 아염소산HClO hypochlorous acid 하이포염소산