원자, 분자 및 이온 제 2 장 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Dalton 의 원자론 (1808) 1. 원소 (Element) 는 극히 작은 원자 (atom) 로 구성되어 있다. 2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며 크기, 질량 및 화학적 성질이 모두 같다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와 서로 다르다. 3. 화합물 (Compound) 은 두 개 이상의 원소의 원자로 이루어 져 있다. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 또는 간단한 분수이다. 4. 화학 반응 (chemical reaction) 은 원자의 분리, 결합, 또는 재배열만을 포함한다. 원자는 화학반응에 의해서 생성되거나 없어지지 않는다.

돌턴의 원자론 배수 비례의 법칙 (Law of Multiple Proportions)

8 X 2 Y 16 X8 Y + 질량 보존의 법칙 (Law of Conservation of Mass)

J.J. Thomson, 전자 (e-) 의 질량 / 전하 (mass/charge) 비를 측정 (1906 Nobel 물리학상 수상 ) 음극선관

전자 전하 = x C Thomson 의 전자 전하 / 질량 = x 10 8 C/g 전자 질량 = 9.10 x g 전자 (e-) 의 질량 측정 (1923 Nobel 물리학상 수상 ) Millikan 의 실험

방사선의 종류 ( 우라늄 화합물 )

Thomson 의 원자 모형 양전하가 구 전체에 퍼져 있다.

1. 원자의 양 전하는 핵 (nucleus) 에 집중. 2. 핵에서 양성자 (proton, p) 는 전자와는 반대의 양 (+) 으로 하전. 3. 양성자 (p) 의 질량은 전자 질량의 약 1840 배 (1.67 x g).  입자속도 ~ 1.4 x 10 7 m/s ( 빛 속도의 ~5%) (1908 Nobel 화학상 수상 ) Rutherford 의 실험

“ 원자의 크기를 휴스턴 아스트로돔 (the Houston Astrodome) 스포츠 스타디움만큼 확대한다면, 핵의 크기는 50 야드 선상에 있는 하나의 공기돌 크기 정도이다.” 원자 반지름 ~ 100 pm = 1 x m 원자 핵 반지름 ~ 5 x pm = 5 x m Rutherford 의 원자모형

중성자의 발견 : Chadwick 의 실험 (1932) H 원자 – 양성자 (p) 1 개 ; He 원자 – 양성자 (p) 2 개 He 질량 / H 질량의 비율은 2 이어야 하나, 측정된 He 질량 / H 질량의 비율은 4 이다  + 9 Be 1 n + 12 C + energy 중성자 (neutron, n) 는 중성 ( 전하 = 0) 이고 중성자 (n) 질량 ~ 양성자 (p) 질량 = 1.67 x g (1935 Noble 물리학상 수상 )

양성자 (p) 질량 ≈ 중성자 (n) 질량 ≈ 1840 x 전자 ( e - ) 질량

원자번호 (Atomic number, Z) = 핵에서 양성자의 수 질량수 (Mass number, A) = 양성자의 수 + 중성자의 수 = 원자 번호 (Z) + 중성자의 수 동위원소 (Isotope) ; 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원자 H 1 1 H (D) 2 1 H (T) 3 1 U U X A Z 질량수 원자번호 원소기호 원자번호 (Z), 질량수 (A) 및 동위원소

동위원소의 예 수소, 중수소, 삼중수소 수소의 동위원소

에서 양성자, 중성자, 및 전자의 수를 구하시오 ? C 11 6 양성자 6 개, 중성자 8 개 (14 – 6), 전자 6 개 중성자 6 개, 중성자 5 개 (11 - 6), 전자 6 개 동위 원소 (isotope) 를 이해하는지요 ? 에서 양성자, 중성자, 및 전자의 수를 구하시오 ? C 14 6

주기 (Period) 족 (Group) 알칼리 금속 불활성 기체 할로젠 알칼리 토금속 현대 주기율표

분자 (molecule) : 화학적 힘 ( 화학 결합 ) 에 의해 일정한 배열을 유지하는 두 개 이상의 원자의 응집체 H2H2 H2OH2ONH 3 CH 4 이원자 분자 (diatomic molecule): 두 개의 원자만 포함 H 2, N 2, O 2, Br 2, HCl, CO 다원자 분자 (polyatomic molecule) : 세 개 이상의 원자를 포함하는 분자 O 3, H 2 O, NH 3, CH 4 이원자 원소

이온 (ion) ; 알짜 양전하 또는 알짜 음전하를 가진 원자 또는 원자단. 양이온 (Cation) – 알짜 양전하를 갖는 이온 중성 원자가 한 개 이상의 전자를 잃을 때 형성 음이온 (Anion) – 알짜 음전하를 갖는 이온 중성 원자가 한 개 이상의 전자를 얻을 때 형성 Na 11 양성자 11 전자 Na + 11 양성자 10 전자 Cl 17 양성자 17 전자 Cl - 17 양성자 18 전자

단원자 이온 (monatomic ion) : 단 하나의 원자만을 포함 다원자 이온 (polyatomic ion) : 두 개 이상의 원자를 가진 이온 Na +, Cl -, Ca 2+, O 2-, Al 3+, N 3- OH -, CN -, NH 4 +, NO 3 -

주기율표 상의 일반적인 이온

양성자 13 개, 전자 10 개 (13 – 3) 양성자 34 개, 전자 36 개 (34 + 2) 이온 (ion) 을 이해하는지요 ? 에서 양성자와 전자의 수를 구하시오 ? Al 에서 양성자와 전자의 수를 구하시오 ? Se

화학식과 분자모형 수소 물 암모니아 메테인 분자식 구조식 공 - 막대 모형 공간 - 채움 모형

분자식 (molecular formula) : 한 물질의 물리적 성질을 유지하는 가장 작은 단위로서 각 원소의 원자들의 개수를 정확히 나타냄 실험식 (empirical formula) : 분자 내 존재하는 원소들의 종류와 그들의 원자들의 가장 간단한 정수비로 표시 H2OH2O H2OH2O 분자식 실험식 C 6 H 12 O 6 CH 2 O O3O3 O N2H4N2H4 NH 2

이온결합 화합물 (ionic compound) : 양이온 (cation) 과 음이온 (anion) 의 조합으로 구성됨 화학식은 일반적으로 실험식과 같다 각 화학식 단위에 있는 양이온과 음이온의 전하의 합은 항상 0 이다. NaCl 이온 화합물

가장 반응성이 큰 금속 ( 녹색 ) 과 가장 반응성이 큰 비금속 ( 푸른색 ) 이 결합하여 이온결합화합물을 만든다.

이온 화합물의 화학식 ( 전하의 합은 zero) Al 2 O 3 2 x +3 = +63 x -2 = -6 Al 3+ O 2- CaBr 2 1 x +2 = +22 x -1 = -2 Ca 2+ Br - Na 2 CO 3 1 x +2 = +21 x -2 = -2 Na + CO 3 2-

화합물의 명명법 Ionic Compounds ( 이온결합 화합물 ) – 종종 금속 (metal) + 비금속 (nonmetal) – 비금속 음이온 (anion, nonmetal) 은 원소 이름 어간에 “- 화 (- ide)” 를 붙인다. – 우리말 명명에서는 비금속 음이온을 먼저 쓰고 금속 양이온을 나중에 명명한다. ( 영어식 명명에서는 금속 양이온을 먼저 명명하고 비금속 음이온을 나중에 명명 ) BaCl 2 barium chloride ( 염화 바륨 ) K2OK2O potassium oxide ( 산화 포타슘 ) Mg(OH) 2 magnesium hydroxide ( 수산화 마그네슘 ) KNO 3 potassium nitrate ( 질산 포타슘 )

전이금속 이온 화합물 - 로마 숫자로 금속의 전하를 표시 FeCl 2 2 Cl - -2 따라서 Fe 은 +2 염화 철 (II) iron(II) chloride FeCl 3 3 Cl - -3 따라서 Fe 은 +3 염화 철 (III) iron(III) chloride Cr 2 S 3 3 S 따라서 Cr 은 +3 (6/2) 황화 크롬 (III) chromium(III) sulfide

Molecular compounds ( 분자화합물 ) 비금속 원소 또는 비금속 + 준금속 전통적 비체계적인 관용명. H 2 O( 물, water), NH 3, CH 4, C 60 주기율표 상의 왼쪽에 있는 원소를 화학식에서 먼저 쓴다. 족의 아래쪽에 있는 원소를 화학식에서 먼저 쓴다. 만약에 같은 원소로 여러 가지 화합물을 형성하는 경우에는 각 원소의 개수를 나타내는 접두사를 사용한다. 우리말 명명에서는 두 번째 원소의 이름 어간에 “– 화 (-ide)” 를 붙이고 난 후에 첫 번째 원소 이름을 명명한다. ( 영어식 명명에서는 화합물의 첫 번째 원소 이름을 먼저 명명하고 두 번째 원소 이름의 어간에 “-ide” 를 붙인다.)

HI 아이오딘화 수소 (hydrogen iodide) NF 3 삼플루오린화 질소 (nitrogen trifluoride) SO 2 이산화 황 (sulfur dioxide ) N 2 Cl 4 사염화 이질소 (dinitrogen tetrachloride) NO 2 이산화 질소 (nitrogen dioxide) N2ON2O 일산화 이질소 (dinitrogen monoxide) 분자화합물 (Molecular Compounds) TOXIC ! Laughing Gas

이온 결합 화합물과 분자 화합물의 단계적 명명

산 (acid) : 물에 용해되었을 때 수소 이온 (H + ) 을 내어 놓는 물질. 예 : HCl 가스와 물 속에서 HCl 순수 물질, hydrogen chloride ( 염화 수소 ) 물에 용해 시 (H 3 O + 및 Cl - ), hydrochloric acid ( 염화 수소산, 염산 )

HNO 3 질산 (nitric acid) H 2 CO 3 탄산 (carbonic acid) H 3 PO 4 인산 (phosphoric acid) 산소산 (oxoacid) : 수소, 산소 및 다른 원소 ( 중심원소로 ) 를 포함하는 산.

산소산과 산소산 음이온의 명명

산소산 음이온 (oxoanion) 이라 부르는 산소산 (oxoacid) 의 음이온을 명명하는 규칙 : 1. “- 산 ”(“-ic acid”) 에서 모든 수소를 제거하면, 음이온의 끝은 “- 산 이온 ” (“-ate”) 이 된다. 2. “- 산 ”(“-ous acid”) 에서 모든 수소를 제거하면, 음이온의 끝은 “ 아 - 산 이온 ”(“-ite”) 이 된다. 3. 음이온에서 전부는 아닌 일부 수소 이온이 제거되었다면 남아 있는 수소 이온의 수를 그 음이온의 이름에 나타내야 한다. 예 : –H 3 PO 4 인산 (phosphoric acid) –H 2 PO 4 - 인산 이수소 이온 (dihydrogen phosphate) –HPO 4 2- 인산 수소 이온 (hydrogen phosphate) –PO 4 3- 인산 이온 (phosphate)

염기 (base) : 물에 용해되었을 때 수산화 이온 (OH - ) 을 내어 놓는 물질. NaOH 수산화 소듐 (sodium hydroxide) KOH 수산화 포타슘 (potassium hydroxide) Ba(OH) 2 수산화 바륨 (barium hydroxide)

수화물 (Hydrate) : 특정 개수의 물 분자가 붙어 있는 화합물. BaCl 2 2H 2 O LiClH 2 O MgSO 4 7H 2 O Sr(NO 3 ) 2 4H 2 O barium chloride dihydrate ( 염화 바륨 이수화물 ) lithium chloride monohydrate ( 염화 리튬 일수화물 ) magnesium sulfate heptahydrate ( 황산 마그네슘 칠수화물 ) strontium nitrate tetrahydrate ( 질산 스트론튬 사수화물 ) CuSO 4 5H2O 황산 구리 (II) 오수화물 CuSO4 무수 황산 구리 (II)

유기 화합물 (Organic chemistry): 탄소 화합물을 다루는 화학의 한 분야. C H H H OH C H H H NH 2 C H H H COH O Methanol ( 메탄올 ) Methylamine ( 메틸 아민 ) acetic acid ( 아세트산 ) 작용기 (functional group)