Chap.1 원자의 구조 및 결합

음극선의 본질을 보여주는 몇 가지 음극선관 실험들. (a) 전자빔의 생성을 보여주는 음극선관. 빔은 형광 자막에 검출된다. (b) 음극선의 빔에 놓인 작은 물체는 그림자를 만든다. (c) 음극선은 전기적으로 음의 전하를 띤다. (d) 음극선과 자기장의 작용 (e) 음극선은 질량을 가지고 있어 작은 페달바퀴를 회전시킬 수 있다.

밀리칸의 기름방울 실험. 작은 기름방울들은 x-선에 의하여 음전하를 띠게 되고 두 판 사이의 전압이 증가하면 양으로 하전된 뒤쪽 판에 끌리고 음으로 하전된 아래 판에 반발하여 낙하 속도가 감소한다.

러더포드의 산란 실험 장치. 방사능 물질로부터 나온 좁은 빔은 엷은 금박을 향한다. 대부분의 α-입자는 굴절되지만 0.001%의 작은 양은 반사된다.

러더포드의 산란 실험의 해석 핵과 멀리 떨어진 α-입자는 통과되고 핵에 가까이 있는 입자는 정도에 따라 굴 절된다. 핵과 충돌한 입자는 반사된다.

1.1 원자와 이온 수소의 동위원소 : 1H, 2H • 원자(atom) - 물질을 구성하는 기본단위  - 물질을 구성하는 기본단위  - 양성자, 중성자, 전자로 구성.   ① 양성자(protons, p+) : +전하 (1.6×10-19 C/electron), 1amu (1.67×10-24 g)   ② 중성자(neutron, N0) : 무극성, 1amu (1.67×10-24 g)   ③ 전자(electron, e-) : -전하 (-1.6×10-19 C/electron), 1/1800amu (9.1×10-28 g)  - 원자핵(nuclear)은 양성자, 중성자로 구성  - 일반적으로 안정한 원자는 양성자와 전자가 동일 개수로 존재 → 전기적 중성  - 아보가드로수(Avogadro's number, AN)   ① 1 mol에 포함된 원소의 수는 6.022...×1023개   ② 1g = 6.022...×1023amu - 원자질량(atomic mass unit, amu)   ① C-12 질량의 1/12, 탄소원자의 평균질량은 12.011... amu   ② 자연에 존재하는 동위원자들의 평균값  - 원자번호(atomic number, Z) : 원자 내에 포함된 양성자의 수  - 질량수(mass number, A) : 양성자수 + 중성자수  - 동위원소(isotope) : 양성자수는 같고 중성자의 수가 다른 원자 수소의 동위원소 : 1H, 2H

• 주기율표(Periodic Table)  - 원소들을 원자번호순으로 가로줄로 배열, 비슷한 성질을 가지는 원소가 세로줄 형성하도록 배열 - 주기(period)   ① 주기율표의 가로줄 (1~7주기)   ② 동일주기의 원자들은 물리적 성질이 비슷   ③ 주기수 = 최외각의 주양자수 n = 전자 껍질수  - 족(group)   ① 주기율표의 세로줄 (1~18족)   ② 동족원소는 화학적 성질이 비슷   ③ 족번호 = 원자가전자수 = 최외각 전자수

• 이온(ion) - 양이온(cation) : 최외각 전자궤도의 전자를 내놓음으로서 전자가 부족해 양의전하를 띄는 이온 - 음이온(anion) : 외부로부터 전자를 받아서 전자가 많아 음의전하를 띄는 이온.

1.2 원자결합과 분자결합의 형태 • 원자결합  - 1차 결합 : 이온결합(ionic bond), 공유결합(covalent bond), 금속결합(metallic bond)  - 2차 결합 : 영구쌍극자(permanent dipole)결합, 요동 쌍극자(fluctuating dipole)결합, 수소결합 • 이온결합  - 양이온과 음이온이 정전기인력으로 결합하여 생기는 화학결합  - 이온결합의 기원   ① 두 원자 사이에 작용하는 인력    - 쿨롱력(coulomb 인력) : 원자의 전하가 다르기 때문에 발생    - 중복력(overlap force) : 두 파동함수가 겹치기 때문에 생기는 인력    - 교환력(exchange force) : Pauli의 배타원리에 의해 발생   ② 반대부호로 하전된 이온사이의 정전기적 인력에 기인된 결합   ③ 금속과 비금속원자가 양이온과 음이온으로 이온화하는데 에너지가 필요하지만 결합에 의해 안정화  - 이온결합결정(ionic crystal)   ① 무방향성결합, 배위수는 기하학적 조건에만 의존 → 높은 배위수, 높은 밀도   ② 강도가 높고, 경도가 크며, 취성   ③ 매우 높은 용웅점(melting point, MP)과 낮은 열팽창 계수, 녹으면 이온으로 존재   ④ 낮은 온도에서는 절연체, 고온 또는 용융상태에서는 이온전도에 의한 도체   ⑤ 가시광선에 투명, 적외선을 강하게 흡수   ⑥ 용액에서의 반응이 순간적

• 공유결합  - 공유결합의 특성    ① 두 전자의 공유 또는 두 전자의 궤도의 중복에 의해서 생긴 인력에 의한 결합    ② 공유되는 두 전자는 스핀방향이 반대    ③ 중복력과 교환력에 의한 결합    ④ 쌍을 이루는 전자는 결합에 기여하지 않는다. - 공유결합결정(covalent crystal) ① 방향성 결합, 한 원자의 결합수는 제한적 → 낮은 배위수, 낮은 밀도 ② 강고가 높고, 경도가 크며, 취성적 ③ 매우 높은 MP, 낮은 열팽창계수(공유<이온<금속), 녹으면 분자로 존재 ④ 고체/액체 상태에서는 절연체 ⑤ 높은 굴절율을 갖고, 자외선을 흡수 ⑥ 용액에서의 반응이 측정 가능한 범위에서 진행 • 금속결합 - 금속원자가 집합하여 최외각전자가 전자운의 형태로 자유롭게 원자핵간을 이동하며 결합. ① 금속의 양이온과 자유전자 사이의 정전기적 인력으로 결합 ② 금속의 원자가전자로 고정되지 않고 원자사이를 이동하는 전자 = 원자가전자 수와 동일 ③ 자유 전자 수가 많으면 결합력이 커진다. Na < Mg < Al ④ 자유 전자가 동일하면 반지름이 작을수록 결합력이 커진다. Li > Na > K

- 금속결합결정(covalent crystal) ① 무방향성 결합, 배위수는 기하학적 조건에만 의존, 높은 배위수 → 높은 밀도 ② 다양한 범위의 강도, 슬립(slip)에 의해 ductile ③ 넓은 범위의 녹는점과 액상영역 ④ 전자전도에 의한 높은 전기전도도, 열전도도 ⑤ 불투명

• 2차 결합 - 반데르발스 결합(van der waals bond) ① 모든 고체안의 모든 원자, 이온사이에 작용 ② 영구쌍극자-영구쌍극자, 영구쌍극자-유도쌍극자, 순간쌍극자-유도쌍극자 사이의 결합 ③ 방향성이 없고 높은 배위수를 갖으며 높은 밀도 ④ 낮은 강도, 녹는점, 높은 열팽창계수, 절연체

- 수소결합(Hydrogen bond) ① 수소가 전기음성도가 큰 음이온(O, F, N, Cl)사이에 양성자가교로서 역할해 결합 ② 수소이온(H+)은 주위에 전자가 없는 매우 작은 양이온 ③ 이온결합특성을 나타내며, 참여하는 원자의 전기음성도에 의존해 결합강도가 결정 ④ 반데르발스결합 < 수소결합 < 이온결합 ⑤ 반데르발스결합에 비해 더 단단하고, 취성을 가지며, 높은 녹는점을 가진다.