원자, 분자 및 이온 제 2장 2.1 원자론 2.2 원자의 구조 2.3 원자 번호, 질량수 및 동위원소 2.4 주기율표

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1 원자, 분자 및 이온 제 2장 2.1 원자론 2.2 원자의 구조 2.3 원자 번호, 질량수 및 동위원소 2.4 주기율표
2.1 원자론 2.2 원자의 구조 2.3 원자 번호, 질량수 및 동위원소 2.4 주기율표 2.5 분자와 이온 2.6 화학식 2.7 화합물의 명명 2.8 유기화합물의 소개 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.  Permission required for reproduction or display.

2 2.1 원자론 물질의 구조에 대한 현대적 개념은 19세기 초(1803년에 구두로 발표되었고, 1808년에 A New System of Chemical Philosophy로 발간됨) 돌턴(John Dalton, )의 원자론(Atomic Hypothesis)으로 부터 시작 기원전 5세기 그리스 철학자 데모크리토스(Democritus): 모든 물질은 나누어지지 않는 매우 작은 입자로 구성되어 있다고 생각  atomos (쪼갤 수 없음)라 이름함 많은 실험적 증거로 부터 19세기 돌턴(Dalton)이 원자에 대한 가설 제시 돌턴의 원자론

3 돌턴의 원자론 1. 원소는 원자(atom)라고 하는 매우 작은 입자로 구성
2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며, 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 동일. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와 서로 상이 3. 화합물(compound)은 두 개 이상의 원소의 원자로 구성. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 혹은 간단한 분수 4. 화학 반응은 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함. 즉 원자는 화학 반응에 의해서 생성되거나 소멸되지 않음 가설 2, 3에 대한 도식적 표현

4 돌턴의 원자론과 몇 가지 자연 법칙과의 관계 일정 성분비의 법칙(law of definite proportions) : 화학적으로 순수한 화합물은 그 표본이 다를지라도 포함하고 있는 구성 원소의 질량비가 항상 일정 (예: 모든 물(H2O) 시료에서 수소와 산소의 질량비는 11.2 %와 88.8 %) - 원소의 질량비가 일정하면 원소의 비 또한 일정 (돌턴의 원자론과 일치) 배수 비례의 법칙(law of multiple proportion): 두 원소가 결합하여 둘 이상의 화합물을 만들 때 한 원소의 일정한 질량과 결합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립 - 화합물에서 한 원소의 질량은 그 원소의 원자수와 비례하기 때문 (돌턴의 원자론과 일치)

5 돌턴의 원자론과 몇 가지 자연 법칙과의 관계 8 X2Y 16 X 8 Y +
질량 보존의 법칙(law of conservation of mass) : 질량은 화학반응에서 생성되거나 소멸되지 않음 - 돌턴의 원자론에서 진술하듯이 화학 반응에서 원자는 재배열만 하지 생성되거나 소멸되지 않으므로 질량은 보존될 수 밖에 없음 8 X2Y 16 X 8 Y +

6 2.2 원자의 구조 돌턴은 원자를 매우 작고 더 이상 나누어지지 않는 것으로 생각했으나 19~20세기 연구 결과로 원자에는 전자, 양성자, 중성자가 존재한다는 것이 규명됨 전자(electron)의 발견: 영국 물리학자 톰슨(J. J. Thompson, 1856~1940) 음극선관(cathode ray tube) 실험(1897년)으로 발견 노벨 물리학상 수상. 음극선을 구성하는 음의 전하를 띤 작은 입자를 전자라 명명

7 전자 1개의 전하량과 질량 - 톰슨은 전자의 질량대 전하비(me/e)를 결정(1897년) me/e = -1
전자 1개의 전하량과 질량 - 톰슨은 전자의 질량대 전하비(me/e)를 결정(1897년) me/e = -1.76×108 C/g - 밀리컨(R. A. Milikan, 1868~1953)이 분무판 사이의 전압과 방울의 질량으로부터 측정 전자 1개의 전하를 측정(1909년) e = 1.602×10-19 C - 전자 1개의 질량(me) = ×10-28 g 밀리컨(Millikan)의 실험 (1923 노벨 물리학상 수상)

8 핵과 양성자의 발견: 1900년 초까지 원자는 전자가 있으며, 전기적으로 중성이기 때문에 전자의 음전하에 반대되는 양전하가 존재해야 한다는 사실을 인식 이에 근거하여 톰슨은 양전하가 원자 전체에 퍼져있는“건포도 푸딩” 모양의 원자 모형 제안 1910년 러더포드(Ernest Rutherford, , 1908년 노벨화학상 수상)가 알파(α) 입자 산란 실험을 통하여 핵의 존재를 확인

9 1909년 러더포드(+ Hans Geiger*, Ernest Marsden**)의 실험:
전자보다 7000배 무겁고 전자 전하보다 두 배 크기의 양전하를 가진 알파(α) 입자를 얇은 금박에 충돌 시킨 후 알파(α) 입자의 경로를 관측 α 선을 얇은 금박에 쏠 때 대부분의 입자들은 휘지 않고 금박을 통과하나 아주 작은 수(20,000개마다 하나 꼴로)의 입자들이 굴절되고 일부는 입자 방출원 쪽으로 반사 러더포드의 설명: 원자의 대부분은 빈 공간이기 때문에 대부분의 α 선은 통과. 원자의 양전하는 원자의 중심부의 작은 공간인 핵에 집중되어 있고, 이것에 충돌하는 α 선은 반사됨 * 당시 26세 박사후 연구원 ** 당시 20세 학부생

10 러더퍼드와 다른 사람들이 1910~1930년에 실험한 결과 핵은 양성자(proton)와 중성자(neutron)로 구성되어있다고 제안
양성자는 전자 1개의 전하와 크기는 같고, 부호는 반대, 질량은 ×10-24 g 으로 전자 질량의 1840배 원자 부피의 단지 1/1013 만을 차지, 일반적으로 원자의 반지름은 약 100 pm(0.1 nm = 1Å), 원자핵은 5 ×10-3 pm (5 fm) 중성자(neutron): 1932년 채드윅(James Chadwick, , 1935년 노벨 물리학상 수상)이 Be 금속판과 α 선의 충돌로부터 나오는 높은 에너지 방사선 관측으로 발견 전기적으로 중성이며, 양성자의 질량과 비슷

11 전자, 양성자, 중성자의 비교 중성 원자에서 양성자수 = 전자수 핵에서 중성자수는 양성자나 전자의 수와 직접 관련이 없음
중성 원자에서 양성자수 = 전자수 핵에서 중성자수는 양성자나 전자의 수와 직접 관련이 없음 원자의 질량은 대부분 양성자와 중성자의 질량

12 2.3 원자 번호, 질량수 및 동위원소 X 과학적 방법: A Z
원자 번호(Atomic number, Z) = 핵에 있는 양성자의 수 핵에 있는 양성자의 수는 전자의 수와 같으므로 원자 번호 = 양성자의 수 = 전자의 수 질량수(Mass number, A) = 양성자 수 + 중성자 수 = 원자 번호 (Z) + 중성자 수 동위원소(Isotopes) : 원자 번호는 같지만 질량수가 다른 원자 질량수 X A Z 원자 번호 원소 기호

13 2.4 주기율표 주기율표(periodic table): 화학적, 물리적 성질이 비슷한 원소를 하나의 무리로 배열한 도표
주기(peoriod): 수평 열 족(group 또는 family): 수직 행 주기는 위에서 아래로 내려가면서 1, 2, 3,… 주기로 부름 족은 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 1, 2, 3… 18족으로 부르나 과거에나 또는 미국에서는 현재에도 1A, 2A, 3B~8B, 1B, 2B, 3A~8A라는 이름을 사용 족은 숫자로 나타낸 이름 이외에도 알칼리 금속 족, 할로젠 족 같은 별명이 있음

14 주기율표 알칼리 토금속 알칼리 금속 족 비활성 기체 할로진 주기

15 생활속의 화학 지구 지각에 들어 있는 원소의 질량 백분율 인체에 들어 있는 원소의 질량 백분율

16 2.5 분자와 이온 분자(molecule): 화학적 힘(화학 결합)에 의해 일정한 배열을 유지하는 두 개 이상 원자의 응집체
이원자 분자(diatomic molecule) : 두 개의 원자만을 포함 다원자 분자(polyatomic molecule) : 세 개 이상의 원자를 포함하는 분자 H2 H2O NH3 CH4

17 Na+ Cl- Cl 이온 (ion) : 양전하나 음전하를 가진 원자 또는 원자단 Na
양이온(cation) : 중성 원자가 하나 이상의 전자를 잃어 양전하를 띤 입자 음이온(anion) : 중성 원자가 하나 이상의 전자를 얻어 음전하를 띤 입자 Na+ 11 양성자 10 전자 Na 11 양성자 11 전자 Cl- 17 양성자 18 전자 Cl 17 양성자 17 전자

18 양이온과 음이온은 같은 전하비로 결합하여 이온 결합 화합물을 형성 Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3-
단원자 이온(monatomic ion) : 하나의 원자만 포함 다원자 이온(polyatomic ion) : 두개 이상의 원자 포함 양이온과 음이온은 같은 전하비로 결합하여 이온 결합 화합물을 형성 Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3- OH-, CN-, NH4+, NO3-

19 2.6 화학식 화학식(chemical formula): 분자나 이온 결합 화합물의 조성을 기호로 나타낸 것
분자식(molecular formula): 한 물질의 가장 작은 단위에 있는 각 원소의 원자 개수를 정확히 표현(예: 산소  O2, 오존  O3, 물  H2O) 산소와 오존은 동소체, 동소체  두 가지 이상의 형태로 존재하는 원소 구조식(structural formula): 분자 내에서 각 원자들이 서로 어떻게 결합하고 있는가를 나타내는 화학식 (예: 물  H-O-H) 실험식(empirical formula): 화합물에 존재하는 원소의 종류와 그 원자들의 가장 간단한 정수비로 나타낸 식 (예: 하이드라진(N2H4)  NH2 , 과산화수소(H2O2)  HO )

20 분자 모형: 눈으로 직접 관찰하기에 너무 작은 분자를 효과적으로 보이기 하는 모형
분자식, 구조식, 분자 모형 분자 모형: 눈으로 직접 관찰하기에 너무 작은 분자를 효과적으로 보이기 하는 모형

21 이온 결합 화합물의 화학식 이온 결합 화합물(ionic compounds) : 양이온과 음이온의 결합으로 구성
화학식은 실험식과 동일 양이온과 음이온의 전하의 합은 0 2 × +3 = +6 3 × -2 = -6 Al2O3 Al3+ O2- 1 × +2 = +2 2 × -1 = -2 CaBr2 Ca2+ Br- 1 × +2 = +2 1 × -2 = -2 Na2CO3 Na+ CO32-

22 2.7 화합물의 명명 이성분 이온성 화합물의 명명법 영어 명명법: (양이온 + 음이온) 처음에 양이온을, 다음에 음이온을 명명
양이온은 원소명을 그대로 사용 음이온은 원소로부터 이름의 첫 부분을 가져온 다음 끝부분에 ‘-ide’ 를 붙임 우리말 명명법: (음이온 + 양이온) 음이온을 먼저 부르고 다음에 양이온을 명명 음이온은 음이온 원소 이름에 ‘-화’ 를 붙임) NaCl 염화 소듐 (sodium chloride) Mg(OH)2 수산화 마그네슘 (magnesium hydroxide) KBr 브로민화 포타슘(potassium bromide) KNO3 질산 포타슘 (potassium nitrate)

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25 금속이 두 가지 이상의 양이온으로 존재할 때 이온성 화합물의 명명법
낮은 전하에 대해서는 이름 뒤에 ‘제일’을, 높은 전하에 대해서는 ‘제이’를 사용하여 구별 영어명에서는 양전하가 더 적은 양이온에는 –ous, 큰 양이온은 –ic 로 명명 FeCl2: 염화 제일철(ferrous chloride) FeCl3: 염화 제이철(ferric chloride) 제일(-ous), 제이(-ic)는 금속의 전하를 정확히 나타내지 못하므로 최근에는 로마 숫자로 양전하를 나타내는 방법이 일반화됨 Mn2+: MnO 산화 망가니즈(II) [manganese(II) oxide] Mn3+ : Mn2O3 산화 망가니즈(III) [manganese(III) oxide] Mn4+ : MnO2 산화 망가니즈(IV) [manganese(IV) oxide

26 분자 화합물의 명명법 분자 내에 있는 두 원소 중에서 어느 하나는 양이온과 유사하고 다른 하나는 더 음이온과 유사하다고 가정하고 명명 양이온은 원소명 그대로 쓰고 음이온은 원소명 끝에 -화(-ide)를 붙임 (예: HF  플루오린화수소(hydrogen fluoride)) 주기율표에서는 왼쪽 아래로 갈수록 더 양이온성이고 오른쪽 위로 갈수록 더 음 이온성 비금속은 가끔 다른 비율로 결합하여 다른 화합물들을 만들기 때문에  명명법에서는 각 원소마다 존재하는 수를 분명히 표시하기 위해 수에 관한 접두사를 포함해야만 함

27 CO 일산화탄소(carbon monoxide) (C는 4A족, O는 6A족) CO2 이산화탄소(carbon dioxide)
PCl3 삼염화인(phosphorus trichloride) (P는 5A족, Cl은 7A족) SF4 사플루오린화황(sulfur tetrafluoride) (S는 6A족, F는 7A족) N2O4 사산화이질소(dinitrogen tetroxide) (N은 5A족, O는 6A족) 이름의 앞쪽에 있는 원소는 mono 접두사를 사용하지 않음 PCl3 삼염화인(phosphorus trichloride) 삼염화일인(monophosphorus trichloride) 산화물의 영문 표기에서 “a”는 때로 생략 N2O4  dinitrogen tetroxide dinitrogen tetraoxide

28 명명법에서의 예외 수소를 포함하는 분자 화합물의 명명에는 그리스어 접두사를 사용하지 않음 이들 중 많은 화합물은 비체계적인 관용명이 사용됨 많은 경우 수소의 수를 명확히 나타내지 않음

29 명명법 정리

30 산의 명명법 산은 물에 용해되었을 때 수소 이온 (H+)을 생성하는 물질 수소와 다른 원소로 이루어진 이성분 산의 경우‘수소’뒤에 ‘산’을 붙임

31 산의 명명법 수소, 산소 및 다른 원소(중심 원소)를 포함하는 산소산(oxoacid): 화학식은 수소, 중심원소, 산소 순으로 표기 중심 원자는 같지만 산소 원자가 다른 두 개 이상의 산소산의 경우: (예: HClO4, HClO3, HClO2, HClO) 기준: HClO3 염소산(chloric acid) 1.“-산(-ic acid)”에 산소 원자 한 개를 첨가할 때: 그 산을 “과...산(per... ic acid) )” HClO4 과염소산(perchloric acid) 2. “-산(-ic acid)”으로부터 산소 원자 한 개를 제거할 때: 그 산을 “아...산(-ous acid)” HClO2 아염소산(chlorous acid) 3. “-산(-ic acid)”으로부터 산소 원자 두 개를 제거할 때: 그 산을 “하이포아...산 (-ous acid)” HClO 하이포아염소산(hypochlorous acid)

32 산소산 음이온의 명명법 1.“-산(-ic acid)”에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 “-산 이온(- ate) H2CO3  CO3 2- : 탄산 이온(carbonate) 2. “-아…산(-ous acid)”에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 “아…산 이온(-ite) HClO2  ClO2- : 아염소산 이온(chlorite) 3. 음이온에서 전부가 아닌 일부 수소가 제거되었다면, 음이온의 이름에 수소 이온의 수를 나타냄 H2PO4- dihydrogen phosphate (인산 이수소 이온) HPO4 2- hydrogen phosphate (인산 수소 이온) PO phosphate(인산 이온)

33 산소산과 산소산 음이온의 명명법 정리

34 염기의 명명법 염기는 물에 용해되었을 때 수산화 이온 (OH-)을 생성하는 물질 NaOH sodium hydroxide (수산화 소듐) KOH potassium hydroxide (수산화 포타슘) Ba(OH)2 barium hydroxide (수산화 바륨)

35 수화물은 특정 개수의 물 분자가 결합되어 있는 화합물 - 가열하여 물 분자를 떼어낸 물질은 무수물(anhydrous)
수화물의 명명법 수화물은 특정 개수의 물 분자가 결합되어 있는 화합물 - 가열하여 물 분자를 떼어낸 물질은 무수물(anhydrous) barium chloride dihydrate (염화 바륨 이수화물) BaCl2•2H2O lithium chloride monohydrate (염화 리튬 일수화물) LiCl•H2O magnesium sulfate heptahydrate (황산 마그네슘 칠수화물) MgSO4•7H2O Sr(NO3)2 •4H2O strontium nitrate tetrahydrate (질산 스트론튬 사수화물) CuSO4 CuSO4•5H2O

36 2.7 유기 화합물의 명명 유기화학(Organic chemistry) : 탄소 화합물을 다루는 화학의 한 분야
탄화수소(hydrocarbon): 탄소와 수소만을 포함하는 화합물 알케인(alkane): 탄화수소의 한 부류