원자의 구조와 주기성 원자의 개념에 대한 역사 원자의 구조에 대한 현대의 실험들 원자 내 전자의 상태 원자 내 전자의 배치 구조

원자의 개념에 대한 역사 Ⅰ. 그리스 철학의 원자론 및 원소설 - 원소설 : 물, 불, 흙, 공기 (4원소설) - 원자론 : 철학적 사유의 결과물 - 원소설 : 물, 불, 흙, 공기 (4원소설) 자연 현상을 보다 간단하고 체계적으로 설명하기 위해…

Ⅱ. 현대 화학의 시작 로버트 보일(Robert Boyle; 1627-1691) 정량적인 화학 실험을 최초로 실시, 정성적인 실험에 머물렀던 연금술에서 벗어나 화학을 정량적인 과학으로 발전시키는 계기 마련. 원소에 대한 Boyle의 정의 원소를 철학적인 개념이 아니라 실제 실험에 근거하여 정의하고자 함. 위의 정의가 일반적으로 받아들여지기 시작하면서 원소의 수는 증가. - 프리스틀리(Joseph Priestley; 1733-1804) 4 원소설의 기본 원소 중 하나이던 공기가 사실은 여러 가지 성분의 혼합체라는 것을 1774년에 실험으로 증명(공기에서 산소 분리 실험)

Ⅲ. 정량적인 법칙들의 발견 - 질량 보존의 법칙 : 라보아제(Antoine Lavoisier; 1743-1794) 물질은 화학 반응을 통하여 창조되지도 않고 소멸되지도 않는다. 연소과정 설명. 일정 성분비의 법칙 : 프르스트(Joseph Proust; 1754-1826) 특정 화합물 내에 포함된 원소들의 질량비는 항상 동일하다. 배수비례의 법칙 : 돌턴(John Dalton; 1766-1844) 두 원소가 여러 가지 다른 화합물들을 형성할 때, 특정원소 1g과 결합하는 다른 원소의 질량들 사이에는 간단한 정수비가 성립 한다.

Ⅳ. Dalton의 원자설(1808년) 1. 각 원소는 원자라는 더 이상 쪼개지지 않는 작은 입자로 이루어져 있다. (원자 = 핵(양성자 + 중성자) 과 전자) 2. 동일한 원소의 원자는 질량이 모두 동일하고 다른 원소의 원자는 질량이 완전히 다르다. 즉 원자를 구별하는 특징은 원자의 질량이다. (동위원소 발견 – 1H, 2H=D, 3H=T ) 3. 다른 원소의 원자들이 서로 간단한 정수비로 결합하여 다양한 화합물을 만든다. 그러나 특정 화합물에는 언제나 동일한 원자들이 일정한 비율로 존재한다. 4. 원자들이 재배열 되는 것이 화학 반응이다. 화학 반응에서 원자 자체는 변하지 않는다.(핵융합, 핵분열 – 우라늄이 납으로) ※ Dalton의 원자설은 질량보존 법칙, 일정성분비 법칙, 배수비례 법칙에 대한 합리적인 설명을 제공 하였을 뿐만 아니라 현대의 원자 개념의 기본 틀을 제공하는 중요한 역할을 하였다.

Ⅴ. 화학식 표시법의 확립 - 기체 반응의 법칙 : 게이루삭(Joseph Gay-Lussac ; 1778-1850) 기체 반응의 법칙에 해당하는 실험. 수소 2 부피가 산소 1 부피와 반응하여 수증기 2 부피가 생성되며,수소 1부피와 염소 1 부피와 반응하여 염화수소 2 부피가 생성되는 것을 보여주는 실험.

- 아보가드로(Amadeo Avogadro; 1776-1856)의 가설(1811년) 온도와 압력이 동일하면 동일한 부피 속에 들어있는 기체 단위체 (분자)의 수는 기체의 종류에 관계없이 일정하다. 원자는 더 이상 쪼개지지 않는다는 돌턴의 원자설과, 기체의 부피와 입자의 수는 비례한다는 아보가드로의 가설을 바탕으로 하여 그림 2.1의 시험을 설명하는 그림.

원자의 구조에 대한 현대의 실험들 Ⅰ. 원자를 구성하는 입자들에 대한 실험 - 전자 발견 : 톰슨 (J. J. Thomson; 1856-1940) 전기장에 의하여 음극선의 흐름이 굴절되는 실험 - 베크렐(Henri Becquerel) : 우라늄이 알파, 베타, 감마선을 방출하는 원자핵 붕괴 현상을 1896년 발견. 원자는 더 이상 쪼개지지 않는 작은 물질의 단위라는 개념의 수정

Ⅱ. Thomson의 원자 모델 양전하가 원자 전체에 퍼져 있고, 그 사이 사이에 작은 전자들이 불규칙하게 분포하여 전기적 중성을 유지하는 푸딩모양 제안.

Ⅲ. Rutherford의 원자 모형 ※ Rutherford는 위 실험을 바탕으로 뉴턴의 고전역학 개념에 따라 알파 입자를 금의 박막에 산란시킨 왼쪽은 톰슨의 원자모델에 따라 예상되는 실험 결과 러더포드의 실험 오른쪽은 실제의 실험 결과를 설명하는 모델 ※ Rutherford는 위 실험을 바탕으로 뉴턴의 고전역학 개념에 따라 태양계의 모양과 유사한 원자 모델이 제시하였다. 그러나, 이 모델은 알파선 산란실험을 설명할 수는 있었지만 원자의 고유한 안정성을 설명 하기는 부족하였다.

양성자 중성자 전자 양(중)성자의 1 amu = 1.66X10-24 g 약 2000분의 1 Ⅳ. 원자를 구성하는 입자들과 원소 기호 양성자 중성자 전자 양(중)성자의 약 2000분의 1 1 amu = 1.66X10-24 g

1. 양성자 - 양성자 수가 원소의 종류를 결정한다. - 원자의 화학적 성질을 결정한다. - 양성자 수는 원자번호 (Z)와 같다. - 양전하(+1)를 갖는다. - 질량은 1.0amu (1.67x10-24g)이다.

2. 중성자 - 같은 원자라도 중성자 수가 다를 수 있다. - 양성자+중성자 수를 질량수(mass number) 라고 한다. - 전하가 없다. - 질량은 1.0amu 이다.

3. 전자 - 중성 원자에서 양성자 수와 같다. - 음전하(-1)를 갖는다. - 양성자 수보다 많거나 적으면 이온이 된다. - 질량은 0.00054amu (0.0009x10-24g) 이다. - 원자의 대부분의 공간을 차지한다.

4. 원소기호 - 원자번호 (Z) : 양성자 수 (p+) *원소의 종류 결정 *중성원자에서 전자의 수 (e-) - 질량수 (A) : 양성자 수(p+) + 중성자 수(n0) *한 원소에 대해 다양한 질량수 - 이온 : 양성자 수  전자 수 *전자의 이동으로 형성

5. 동위원소 (isotope) 12C 13C 양성자 중성자 전자 6 6 6 6 7 6 양성자 중성자 전자 12C 13C 6 6 6 6 7 6 - 양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다른 두 원소 - 화학적 성질은 같으나 질량이 다르다. - 원자번호가 같기 때문에 동일한 원소이다.

6. 원자질량 (atomic mass) - 12C를 기준으로 한 원자의 상대적 질량 - 1amu는 12C의 질량의 1/12 - 주기율표의 원자질량은 동위원소들의 가중평균치이다. 예) 12C 원자질량 12.0000 - 98.89% 13C 원자질량 12.9991 - 1.11% C의 원자질량 =(12.0000X0.9889)+(12.9991X0.0111) =12.011

원자 내 전자 상태 - 분광학(Spectroscopy) : 빛(광자, Photon)과 물질 사이의 상호작용을 통하여 물질 내부의 세부 상태, 특히 물질 내부의 전자 상태를 연구하는 실험 방법. 전자기 복사파(전파, Electromagnetic Radiation Wave) = 빛 - 빛의 성질은 파장(Wavelength) 또는 진동수 (Frequency)에 의하여 규정.

- 파장 : 음파 등 파동에서 파동의 마루에서 다음 마루까지, 또는 파동의 골에서 다음 골까지 의 거리. (λ) - 진동수 : 주기적으로 변동하는 현상에서 같은 상태가 1초(s) 동안 몇 번 돌아오는가를 나타내는 수. (ν) - λν = c, 또는 ν = c / λ, 또는 λ = c / ν - 빛의 속도 = 2.9979 ⅹ 108 m/s

- E (광자의 에너지) = hν = h (c /λ) Ⅰ. 에너지의 양자화 - 프랑크(Max Plank; 1858-1947) : 흑체 복사 현상의 특징을 설명하기 위하여 물체 표면을 구성하는 기본 단위 물질의 에너지가 프랑크 상수(h = 6.626 ⅹ 10-34 J·s)라고 하는 최소 에너지 단위의 정수배만 가지도록 제한되었다는 양자 가설을 제안. - 에너지가 양자화(Quantized) 되었다. - 광자 : 양자론에서 빛을 특정의 에너지와 운동을 가지는 일종의 입자적인 것으로 취급할 경우에 생각하는 빛의 입자. (빛 입자의 단위) - E (광자의 에너지) = hν = h (c /λ)

전자기파 스펙트럼 진동수  낮은 에너지 C =   파장  전자기파의 에너지 E=h =h (c/)

Ⅱ. 수소 원자의 스펙트럼 m 1 2 3 4 5 ... n 2,3,4, ... 3,4,5, ... 4,5,6, ... 5,6,7, ... 6,7,8, ... 계열 이름 Lyman Balmer Paschen Bracket Pfund

Ⅲ. 보어의 원자 모델 높은 위치 에너지 낮은 위치 에너지 En = -RH /n 2 Quantized (양자화)

보어의 모델에 따르는 에너지 값들, 원 궤도들, 그리고 원 궤도들 사이의 전이에 따라 방출되는 빛의 파장 주 양자수와 에너지 사이의 관계

Ⅳ. 물질파 개념 - 보어의 원자모델의 단점 : 수소 원자의 스펙트럼은 잘 설명. 전자 두 개 이상인 복잡한 원자들의 스펙트럼을 설명하기에는 많은 어려움이 있음. - 물질파(Matter Wave) 이론 : 드브로이(Louis de Broglie; 1892-1987) 파동이 입자의 성질을 가진다면 입자 또한 파동의 성질을 가질 것이다. - 일상적인 물체에서는 물질파가 거의 의미가 없지만 원자와 같은 미시 물질계에서는 매우 중요한 의미를 가지게 됨.

Ⅴ. 양자역학에 의한 현대의 원자 모델 1. 현대의 원자 모델 - 전자와 같은 미시적인 기본 입자들이 파동성을 가진다는 사실. - 입자의 위치와 속도를 둘 다 동시에 정확하게 알 수 없다. - 하이제버그(Werner Heisenberg; 1901-1976)의 불확정성 원리(Uncertaintity Principle)에 바탕을 둔 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger; 1887-1961)의 양자역학 (파동역학)으로 완전하게 설명. - 원자내의 전자들은 구름이 퍼져있는 것처럼 원자 내부의 여러 부분에 동시에 존재할 수 있는 파동과 같은 상태로 존재한다. 이처럼 전자가 공간에 분포하는 상태는 파동함수라는 수학함수로 나타낼 수 있다.

Ⅵ. 원자 오비탈의 개념 궤도함수 (파동함수)  = f (n, l, m ) 세 개의 양자 수가 함수를 결정; - 오비탈 : 원자 내에 존재하는 한 전자의 상태를 묘사하는 파동 함수이지만 보통은 전자의 확률밀도 함수를 2차원 또는 3차원으로 표시한 것을 말함. 궤도함수 (파동함수)  = f (n, l, m ) 세 개의 양자 수가 함수를 결정; 주 양자 수, 부 양자 수, 자기 양자 수 궤도 (오비탈)를 결정

주 양자 수 (n ) - 양의 정수 값을 갖는다 ; n =1, 2, 3, 4, … - 핵과 전자 사이의 평균 거리를 결정한다. (shell)에 있다고 한다.

부 양자 수 (l ) - 0부터 n-1의 값을 갖는다. (l = 0 n -1) - 부양자수는 오비탈의 모양을 결정한다. - 부양자수는 숫자보다는 기호로 표시된다

자기 양자 수 (m, ml ) - l 부터 -l 까지 의 값을 갖는다. (m = -l  +l ) 주지 않는다. - m 값은 오비탈의 공간적 위치 (배향)를 결정한다.

세 가지 양자수들 사이에 가능한 관계들 껍질(Shell) n l 오비탈 표시 ml 오비탈 수 1 1s K 2 2s L 2p 1s K 2 2s L 2p -1, 0, 1 3 3s M 3p 3d -2, -1, 0 , 1, 2 5 4 4s N 4p 4d 4f -3, -2, -1, 0 , 1, 2, 3 7 세 가지 양자수들 사이에 가능한 관계들

2P 오비탈의 이름 오비탈의 에너지 n 과 l 값이 결정 n = 1, l = 0  1s n = 2, l = 0  2s n = 2, l = 1  2p n = 3, l = 0  3s n = 3, l = 1  3p n = 3, l = 2  3d l 값이 0 이면 s l 값이 1 이면 p l 값이 2 이면 d l 값이 3 이면 f 주 양자 수 껍질 2P 부 양자수 부껍질

← 1s, 2s, 3s 오비탈의 모습 2p-오비탈의 모습과 3가지 서로 다른 배향 ↓

d-오비탈의 모습과 5가지 서로 다른 배향 f-오비탈의 모습과 7가지 서로 다른 배향

원자 내 전자의 배치 구조 Ⅰ. 전자의 스핀 1. 스핀 양자 수 (ms) - ms 값은 전자의 스핀방향을 결정한다.

파울리(Pauli)의 배타원리 - 한 원자에 있는 어떤 두 전자는 4개의 양자수를 모두 다 동일하게 가질 수는 없다. 즉, 원자에 있는 어떤 전자도 4개의 양자수가 모두 같을 수 없다. - 궤도함수를 결정하는 세 개의 양자수와 스핀 양자수는 하나의 고유한 번호를 만든다. - 각 전자는 하나의 고유한 번호를 갖는다.

전자의 주민등록번호 n l m s 번호의 개수 1 0 0 +1/2, -1/2 2 (1s) 1 -1,0,+1 +1/2, -1/2 6 (2p) 3 0 0 +1/2, -1/2 2 (3s) 1 -1,0,+1 +1/2, -1/2 6 (3p) 2 -2,-1,0,+1,+2 +1/2, -1/2 10 (3d)

Ⅱ. 원자 오비탈의 에너지 순서 껍질 1 1s 껍질 2 2s 2p 껍질 3 3s 3p 3d 껍질 4 4s 4p 4d 4f 1. 전자의 에너지 - 전자의 에너지는 n + l 의 값이 클수록 크다. - n 과 l 값이 모두 같으면 전자의 에너지는 같다. - n + l 이 같을 경우 다음의 규칙을 따른다. 껍질 1 1s 껍질 2 2s 2p 껍질 3 3s 3p 3d 껍질 4 4s 4p 4d 4f 껍질 5 5s 5p 5d 5f

Ⅲ. 원자 내 전자의 배치 Aufbau의 원리 – (바닥상태 전자 배치) 에너지가 낮은 궤도함수부터… 2. Pauli의 배타원리 - 한 궤도함수에는 스핀이 반대인 두 전자 3. Hund의 규칙 - 에너지가 같은 궤도함수가 있을 때는 먼저 하나씩 채운다.

전자배치 연습 탄소 (전자 6개) 2p 2s 1s 산소 (전자 8개) 2p 2s 1s 1s 2 2s 2 2p 2

전자배치의 간단한 표기법 F : 1s2 2s2 2p5 He : 1s2  [He] 2s2 2p5 Cl : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Ne : 1s2 2s2 2p6  [Ne] 3s2 3p5 Br : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 Ar : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  [Ar] 4s2 3d10 4p5 I : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p5 Kr : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6  [Kr] 5s2 4d10 5p5

Ⅳ. 전자 배치의 주기성 1. 전자배치 F : 1s2 2s2 2p5 Cl : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Br : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 I : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p5 전자배치의 주기성 화학적 성질의 주기성

2. 원자 주기성의 발견

3. 전자배치와 주기율표 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d S ; 2 p ; 6 d ; 10 f ; 14

4. 원소의 분류

Ⅴ. 원자의 성질에서 나타나는 주기성 ※ 원자 번호가 증가 : 이온화 에너지, 전자 친화도, 원자 ※ 원자 번호가 증가 : 이온화 에너지, 전자 친화도, 원자 반경등과 같은 원자의 여러 가지 화학적 성질들은 주기적 으로 변화하는 경향성을 보인다. 1. 이온화 에너지 (Ionization Energy) : 바닥상태에 있는 원자 또는 분자에서 1개의 전자를 꺼내어 1개의 양이온과 자유전자로 완전히 분리하는 데 필요한 에너지.

- 원자가 원래 가지고 있던 최외각 전자껍질의 전자들이 모두 제거될 때 까지는 이온화 에너지가 완만하게 증가하다가 제3주기 원소들의 이온화 에너지 값(kJ/mol)의 변화 - 원자가 원래 가지고 있던 최외각 전자껍질의 전자들이 모두 제거될 때 까지는 이온화 에너지가 완만하게 증가하다가 그 다음 안쪽 전자껍질의 전자가 제거되려면이온화 에너지가 급격하게 증가함을 보여준다.

2. 전자 친화도 (Electron Affinity) - 최외각 전자 껍질에 하나의 전자만 더해지면 완전히 채워진 전자 껍질이 만들어지는 7족 원소들의 전자 친화도 값이 유난히 크다는 것을 주목해 볼 때 주기율표의 주기성과 일치하는 변화를 보여준다.

3. 원자 반지름(Atomic Radius) - 동일한 족 : 아래 주기로 가면서 원자의 크기가 증가. 즉, 새로운 껍질의 증가로 반지름 증가. - 같은 주기 : 오른쪽으로 갈수록, 즉 원자번호가 증가 할수록 원자의 크기 감소. 즉, 원자번호가 증가하면 그에 따라서 원자핵의 전하가 증가하여 외각 전자를 더 가깝게 끌어당겨서 최외각 전자껍질의 크기가 줄어들기 때문. - 원자번호는 동일하면서 전자의 수가 다른 이온들 : 전자 의 수가 많을수록 전자 사이의 전체 반발력이 커져서 원자 반지름이 증가. ( O+1 < O < O-1)

피코미터(m) 단위로 나타낸 원자의 반지름