제 2 장 원자, 분자, 이온

Dalton의 원자론 (1808) 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성되어 있다. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 같다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와 서로 다르다. 화합물(Compound)은 두 개 이상의 원소의 원자로 이루어 져 있다. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 혹은 간단한 분수이다. 화학 반응(chemical reaction)은 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함한다. 원자는 화학반응에 의해서 생성되거나 없어지지 않는다.

16 X 8 Y + 8 X2Y 질량 보존의 법칙(Law of Conservation of Mass)

돌턴의 원자론 배수 비례의 법칙(Law of Multiple Proportions)

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

음극선관

Millikan의 실험 전자(e-)의 질량 측정 전자 전하 = -1.60 x 10-19 C (1923 Nobel 물리학상 수상) 전자 전하 = -1.60 x 10-19 C Thomson의 전자 전하/질량 = -1.76 x 108 C/g 전자 질량 = 9.10 x 10-28 g

방사선의 종류 (우라늄 화합물)

Thomson의 원자 모형 양전하가 구 전체에 퍼져 있다.

Rutherford의 실험 (1908 Nobel 화학상 수상) 원자의 양 전하는 핵(nucleus)에 집중. a 입자속도 ~ 1.4 x 107 m/s (빛 속도의 ~5%) 원자의 양 전하는 핵(nucleus)에 집중. 핵에서 양성자(proton, p)는 전자와는 반대의 양(+)으로 하전. 양성자(p)의 질량은 전자 질량의 약 1840배(1.67 x 10-24 g).

Rutherford의 원자모형 원자 반지름 ~ 100 pm = 1 x 10-10 m 원자 핵 반지름 ~ 5 x 10-3 pm = 5 x 10-15 m “원자의 크기를 휴스턴 아스트로돔 (the Houston Astrodome) 스포츠 스타디움만큼 확대한다면, 핵의 크기는 50 야드 선상에 있는 하나의 공깃돌 크기 정도이다.”

중성자의 발견: Chadwick의 실험 (1932) (1935 Noble 물리학상 수상) H 원자 – 양성자(p) 1개; He 원자 – 양성자(p) 2개 He 질량/ H 질량의 비율은 2이어야 하나, 측정된 He 질량/ H 질량의 비율은 4이다 a + 9Be 1n + 12C + energy 중성자 (neutron, n)는 중성 (전하 = 0)이고 중성자(n) 질량 ~ 양성자(p) 질량 = 1.67 x 10-24 g

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

동위원소 (Isotope) ; 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원자 원자번호(Z), 질량수(A) 및 동위원소 원자번호 (Atomic number, Z) = 한 원소의 각 원자핵에 있는 양성자 수 질량수 (Mass number, A) = 양성자 수 + 중성자 수 = 원자 번호 (Z) + 중성자 수 동위원소 (Isotope) ; 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원자 X A Z 질량수 원소기호 원자번호 H 1 H (D) 2 H (T) 3 U 235 92 238

동위원소의 예 수소, 중수소, 삼중수소 수소의 동위원소

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

분자 (molecule) : 화학적 힘 (화학 결합)에 의해 일정한 배열을 유지하는 두 개 이상 원자의 응집체 H2 H2O NH3 CH4 이원자 원소 이원자 분자(diatomic molecule): 두 개의 원자만 포함 H2, N2, O2, Br2, HCl, CO 다원자 분자 (polyatomic molecule) : 세 개 이상의 원자를 포함하는 분자 O3, H2O, NH3, CH4

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

단원자 이온(monatomic ion) : 단 하나의 원자만을 포함 Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3- 다원자 이온(polyatomic ion) : 둘 이상의 원자를 가진 이온 OH-, CN-, NH4+, NO3-

주기율표 상의 일반적인 이온

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

분자식 (molecular formula) : 한 물질의 가장 작은 단위에 있는 각 원소의 원자 개수를 정확히 나타낸다. 실험식(empirical formula) : 존재하는 원소들의 종류와 그들의 원자들의 가장 간단한 정수비로 표시 H2O 분자식 실험식 H2O2 HO H2O C6H12O6 CH2O O3 O N2H4 NH2

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 0이다. NaCl 이온 화합물 염소 기체와 소듐 금속의 반응

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

이온 화합물의 화학식 (전하의 합은 zero) 2 x +3 = +6 3 x -2 = -6 Al2O3 Al3+ O2- 1 x +2 = +2 2 x -1 = -2 CaBr2 Ca2+ Br- 1 x +2 = +2 1 x -2 = -2 Na2CO3 Na+ CO32-

산화 마그네슘과 질화 마그네슘의 생성

화합물의 명명법 BaCl2 barium chloride (염화 바륨) K2O potassium oxide (산화 포타슘) 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) BaCl2 barium chloride (염화 바륨) K2O potassium oxide (산화 포타슘) Mg(OH)2 magnesium hydroxide (수산화 마그네슘) KNO3 potassium nitrate (질산 포타슘)

전이금속 이온 화합물 - 로마 숫자로 금속의 전하를 표시 FeCl2 2 Cl- -2 따라서 Fe은 +2 염화 철(II) iron(II) chloride FeCl3 3 Cl- -3 따라서 Fe은 +3 염화 철(III) iron(III) chloride Cr2S3 3 S-2 -6 따라서 Cr은 +3 (6/2) 황화 크롬(III) chromium(III) sulfide

Molecular compounds (분자화합물) 비금속 원소 또는 비금속 + 준금속 전통적 비체계적인 관용명. H2O(물, water), NH3, CH4, C60 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 갯수를 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.)

분자화합물 (Molecular Compounds) HI 아이오딘화 수소 (hydrogen iodide) NF3 삼플루오린화 질소 (nitrogen trifluoride) SO2 이산화 황 (sulfur dioxide ) N2Cl4 사염화 이질소 (dinitrogen tetrachloride) TOXIC! NO2 이산화 질소 (nitrogen dioxide) Laughing Gas N2O 일산화 이질소 (dinitrogen monoxide)

이온 결합 화합물과 분자 화합물의 단계적 명명

산과 염기 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 (H3O+ 및 Cl-), hydrochloric acid (염화 수소산, 염산)

산소산 (oxoacid) : 수소, 산소 및 다른 원소(중심원소) 를 포함하는 산. HNO3 질산 (nitric acid) H2CO3 탄산 (carbonic acid) H3PO4 인산 (phosphoric acid)

산소산과 산소산 음이온의 명명

산소산 음이온 (oxoanion)이라 부르는 산소산(oxoacid)의 음이온을 명명하는 규칙: 1. “-산”(“-ic acid”)에서 모든 수소 이온를 제거하면, 음이온의 끝은 “-산 이온” (“-ate”)이 된다. 2. “-산”(“-ous acid”)에서 모든 수소 이온를 제거하면, 음이온의 끝은 “아-산 이온”(“-ite”)이 된다. 3. 음이온에서 전부가 아닌 일부 수소 이온이 제거되었다면 남아 있는 수소 이온의 수를 그 음이온의 이름에 나타내야 한다. 예: H3PO4 인산(phosphoric acid) H2PO4- 인산 이수소 이온(dihydrogen phosphate) HPO42- 인산 수소 이온(hydrogen phosphate) PO43- 인산 이온(phosphate)

산과 염기 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. BaCl2•2H2O barium chloride dihydrate (염화 바륨 이수화물) LiCl•H2O lithium chloride monohydrate (염화 리튬 일수화물) MgSO4•7H2O magnesium sulfate heptahydrate (황산 마그네슘 칠수화물) Sr(NO3)2 •4H2O strontium nitrate tetrahydrate (질산 스트론튬 사수화물) CuSO4•5H2O 황산 구리(II) 오수화물 CuSO4 무수 황산 구리(II)

작용기 (functional group) 유기 화합물 (Organic chemistry): 탄소 화합물을 다루는 화학의 한 분야. 작용기 (functional group) C H OH C H NH2 C H OH O Methanol (메탄올) Methylamine (메틸 아민) acetic acid (아세트산)