1. 오비탈
일정한 공간에서 전자가 원자핵 주위에서 발견될 확률 밀도를 나타내는 것으로서 궤도 함수라고도 함
2. 오비탈을 나타내는 방법
(가): 전자가 발견될 확률 밀도를 점을 사용하여 나타냄
오비탈을 점을 사용하여 나타냄
(나): 90%의 확률 밀도 지점을 경계면으로 나타냄
오비탈을 90%의 확률 밀도 지점을 경계면으로 나타냄
3. 오비탈을 종류
오비탈의 모양, 즉 전자가 발견될 확률 밀도가 높은 공간의 모양에 따라 구분하고,s, p, d, f, … 등의 기호를 사용하여 나타냄
s 오비탈(구 모양): 방향에 관계없이 원자핵으로부터 같은 거리에서 전자를 발견할 확률은 같음
주양자수가 커질수록 오비탈의 크기가 커지고 에너지 준위는 높아짐
오비탈
p 오비탈(아령 모양): x축, y축, z축에 놓여 있는 px, py, pz 3개의 오비탈이 있음
핵으로부터의 방향에 따라 전자가 발견될 확률이 다르기 때문에 방향성이 있다고 함
오비탈
4. 오비탈의 표시와 수
오비탈은 주양자수 n과 오비탈의 종류를 함께 사용하여 1s, 2s, 2p, …로 나타내는데 각 전자껍질에는 주양자수가 같은 오비탈이 존재함
전자껍질
K
L
M
N
주양자수(n)
1
2
3
4
오비탈 종류
1s
2s, 2p
3s, 3p, 3d
4s,4p, 4d, 4f
5. 오비탈의 에너지 준위
수소 원자의 에너지 준위: 주양자수가 같으면 오비탈의 종류에 관계 없이 에너지 준위는 같음
1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d < 4s = 4p = 4d = 4f < …
다전자 원자의 에너지 준위: 주양자수뿐만 아니라 오비탈 종류에 따라서도 에너지 준위가 달라짐
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d <4 p < …
전자 배치
1. 파울리 배타 원리
하나의 오비탈에는 최대 2개의 전자가 채워질 수 있으며, 두 전자의 스핀 방향은 서로 달라야함
파울리 배타 원리
2. 훈트 규칙
에너지 준위가 같은 오비탈에 전자가 채워질 때 가능한 한 전자는 쌍을 이루지 않게 배치될 때 가장 안정함
훈트 규칙
원자 번호가 6번인 탄소의 바닥 상태의 전자 배치는 (가)가 아니라 (나)임
3. 쌓음 원리
바닥 상태인 원자의 전자 배치는 에너지가 낮은 오비탈부터 순서대로 전자를 채워 나감
쌓음 원리
쌓음 원리
보어의 원자 모형에 의한 원자의 전자 배치
1. 보어의 원자 모형에 의한 전자 배치
각 전자껍질에 채워지는 전자 수를 나타낸 것으로, 전자는 에너지 준위가 낮은 K 전자껍질부터 차례로 채워짐
K (2)→L (8)→M (18)→N (32)→… 순으로 전자껍질에는 최대 2n2개의 전자가 채워짐
1H:K (1), 6C:K (2) L (4), 8O:K (2) L (6)
2. 전자 배치와 원자가 전자
가장 바깥쪽 전자껍질에 채워지는 전자(원자가 전자)가 그 원소의 화학적 성질을 결정함→원자가 전자 수가 같으면 화학적 성질이 비슷함
2015년 1월 26일 월요일
원자 모형과 에너지 준위
1. 돌턴(1803)의 원자 모형
물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 딱딱한 원자로 이루어져 있음
돌턴의 원자 모형
특징
화학의 기본 법칙(질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙) 설명의 이론적 토대 수립
한계점
톰슨의 음극선 실험 결과 설명 불가능
2. 톰슨(1897년)의 원자 모형
(+)전하를 띤 부드러운 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 드문드문 박혀 있음
톰슨의 원자 모형
특징
원자가 고른 밀도를 가진 (+)전하를 띤 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 박혀 있다고 주장하여 원자의 전기적 성질을 일부 설명함
한계점
러더퍼드의 알파 입자 산란 실험 결과 설명 불가능
3. 러더퍼드(1911년)의 원자 모형
원자의 중심에 크기가 매우 작고 질량이 큰 (+)전하를 띤 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 돌고 있음
러더퍼드의 원자 모형
특징
원자의 중심에 있는 원자핵의 존재 및 원자핵의 성질과 원자가 대부분 빈 공간임을 밝힘
한계점
수소의 선 스펙트럼 설명 불가능
4. 보어(1913년)의 원자 모형
원자핵을 중심으로 전자는 일정한 에너지를 가지는 원형의 궤도를 돌고 있음
보어의 원자 모형
특징
수소 원자의 선 스펙트럼 설명 가능
한계점
2개 이상의 전자를 가지는 다전자 원자의 선 스펙트럼 설명 불가능
5. 현대의 원자 모형
원자핵 주위에 전자가 발견될 확률만을 알 수 있으며, 확률 분포를 구름과 같은 모양으로 나타냄
현대의 원자 모형
특징
슈뢰딩거(1926년): 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 계산→ 확률 분포를 구름처럼 나타내는 전자 구름 모형 제시
채드윅(1932년): 중성자의 존재 확인→ 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어짐
한계점
점은 전자의 개수를 의미하는 것이 아니라 전자가 존재할 수 있는 확률 분포를 나타냄
수소원자의 스펙트럼
보어의 이론은 수소원자의 스펙트럼을 완벽하게 해석한다.
수소원자에서 허용된 전자의 에너지는 맨 밑에서부터 -13.6, -3.40, -1.51, -0.85, -0.54, -0.38, ... , 0 [eV] 등이다. 이들을 에너지 준위라 하고, 전자가 이들 준위 중에서 한 준위에 있게 되는데, 보통상태의 수소원자는 제일 아래의 준위에 전자가 머무르고 있어 이를 바닥상태라고 한다. 한편 전자가 적절한 에너지를 받게 되면 바닥상태보다 더 높은 준위로 올라가게 되는데 이를 들뜬다라고 하고, 이렇게 된 상태를 들뜬상태라고 한다.
상태사이를 넘나드는데(전자의 전이) 필요한 에너지는 주로 빛(광자)에 의하게 되는데, 높은 상태 낮은 상태로 전자가 내려오는 경우에는 그 차이에 대한 빛이 방출된다.
물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 딱딱한 원자로 이루어져 있음
돌턴의 원자 모형
특징
화학의 기본 법칙(질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙) 설명의 이론적 토대 수립
한계점
톰슨의 음극선 실험 결과 설명 불가능
2. 톰슨(1897년)의 원자 모형
(+)전하를 띤 부드러운 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 드문드문 박혀 있음
톰슨의 원자 모형
특징
원자가 고른 밀도를 가진 (+)전하를 띤 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 박혀 있다고 주장하여 원자의 전기적 성질을 일부 설명함
한계점
러더퍼드의 알파 입자 산란 실험 결과 설명 불가능
3. 러더퍼드(1911년)의 원자 모형
원자의 중심에 크기가 매우 작고 질량이 큰 (+)전하를 띤 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 돌고 있음
러더퍼드의 원자 모형
특징
원자의 중심에 있는 원자핵의 존재 및 원자핵의 성질과 원자가 대부분 빈 공간임을 밝힘
한계점
수소의 선 스펙트럼 설명 불가능
4. 보어(1913년)의 원자 모형
원자핵을 중심으로 전자는 일정한 에너지를 가지는 원형의 궤도를 돌고 있음
보어의 원자 모형
특징
수소 원자의 선 스펙트럼 설명 가능
한계점
2개 이상의 전자를 가지는 다전자 원자의 선 스펙트럼 설명 불가능
5. 현대의 원자 모형
원자핵 주위에 전자가 발견될 확률만을 알 수 있으며, 확률 분포를 구름과 같은 모양으로 나타냄
현대의 원자 모형
특징
슈뢰딩거(1926년): 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 계산→ 확률 분포를 구름처럼 나타내는 전자 구름 모형 제시
채드윅(1932년): 중성자의 존재 확인→ 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어짐
한계점
점은 전자의 개수를 의미하는 것이 아니라 전자가 존재할 수 있는 확률 분포를 나타냄
수소원자의 스펙트럼
보어의 이론은 수소원자의 스펙트럼을 완벽하게 해석한다.
수소원자에서 허용된 전자의 에너지는 맨 밑에서부터 -13.6, -3.40, -1.51, -0.85, -0.54, -0.38, ... , 0 [eV] 등이다. 이들을 에너지 준위라 하고, 전자가 이들 준위 중에서 한 준위에 있게 되는데, 보통상태의 수소원자는 제일 아래의 준위에 전자가 머무르고 있어 이를 바닥상태라고 한다. 한편 전자가 적절한 에너지를 받게 되면 바닥상태보다 더 높은 준위로 올라가게 되는데 이를 들뜬다라고 하고, 이렇게 된 상태를 들뜬상태라고 한다.
상태사이를 넘나드는데(전자의 전이) 필요한 에너지는 주로 빛(광자)에 의하게 되는데, 높은 상태 낮은 상태로 전자가 내려오는 경우에는 그 차이에 대한 빛이 방출된다.
핵반응과 원소의 기원
화학 반응과 핵반응
1. 화학 반응
새로운 원소가 생성될 수 없음
반응에 전자만 참여함
비교적 적은 에너지가 방출 또는 흡수됨
반응 속도는 농도, 온도, 촉매 등에 의해 영향을 받음
2. 핵반응
원소가 다른 원소로 바뀔 수 있음
반응에 핵 내의 입자가 관여함
막대한 양의 에너지가 방출 또는 흡수됨(E=mc2)
반응 속도는 외부 요인에 의해 영향을 받지 않음
방사성 붕괴
1. 알파(α) 붕괴
헬륨 핵을 방출하므로 원자 번호가 2 감소하고 질량수는 4 감소함
2. 베타(ß) 붕괴
전자를 방출하므로 원자 번호가 1 증가하고 질량수는 변하지 않음
빅뱅 이후 중성 원자의 탄생
시간
10-10초
10-5초
3분
약 30만 년
온도
약 1027℃
약 2조 ℃
약 수백만 ℃
약 3,000 ℃
입자 생성
쿼크, 전자
양성자, 중성자
중수소와 삼중수소, 헬륨 등의 원자핵
중성 원자
빅뱅 이후 중성 원자의 탄생
핵 융합 반응과 원소의 생성
1. 수소와 헬륨 원자들이 중력에 의해 모여 별이 탄생함
2. 별의 중심부에서 헬륨, 탄소, 산소, 네온, 규소, 철 등의 원소들이 생성됨
3. 초신성 폭발로 철보다 무거운 원소가 만들어지며 우라늄까지 생성될 수 있음
베릴륨, 탄소, 산소의 생성
별 내부에서 오랜 시간 동안 핵 융합 반응이 일어나면, 별 내부에는 헬륨의 양이 증가함
따라서 수소는 별 내부보다 외부에 풍부하게 되고 핵 융합은 별의 표면으로 이동함 → 반응이 일어나는 면적이 증가하면서 별은 팽창하고, 내부는 헬륨의 밀도 때문에 수축함
온도가 상승하여 2억 K에 도달하면 헬륨이 핵 융합하여 탄소가 생성되고, 탄소는 헬륨과 반응하여 산소가 됨
1. 화학 반응
새로운 원소가 생성될 수 없음
반응에 전자만 참여함
비교적 적은 에너지가 방출 또는 흡수됨
반응 속도는 농도, 온도, 촉매 등에 의해 영향을 받음
2. 핵반응
원소가 다른 원소로 바뀔 수 있음
반응에 핵 내의 입자가 관여함
막대한 양의 에너지가 방출 또는 흡수됨(E=mc2)
반응 속도는 외부 요인에 의해 영향을 받지 않음
방사성 붕괴
1. 알파(α) 붕괴
헬륨 핵을 방출하므로 원자 번호가 2 감소하고 질량수는 4 감소함
2. 베타(ß) 붕괴
전자를 방출하므로 원자 번호가 1 증가하고 질량수는 변하지 않음
빅뱅 이후 중성 원자의 탄생
시간
10-10초
10-5초
3분
약 30만 년
온도
약 1027℃
약 2조 ℃
약 수백만 ℃
약 3,000 ℃
입자 생성
쿼크, 전자
양성자, 중성자
중수소와 삼중수소, 헬륨 등의 원자핵
중성 원자
빅뱅 이후 중성 원자의 탄생
핵 융합 반응과 원소의 생성
1. 수소와 헬륨 원자들이 중력에 의해 모여 별이 탄생함
2. 별의 중심부에서 헬륨, 탄소, 산소, 네온, 규소, 철 등의 원소들이 생성됨
3. 초신성 폭발로 철보다 무거운 원소가 만들어지며 우라늄까지 생성될 수 있음
베릴륨, 탄소, 산소의 생성
별 내부에서 오랜 시간 동안 핵 융합 반응이 일어나면, 별 내부에는 헬륨의 양이 증가함
따라서 수소는 별 내부보다 외부에 풍부하게 되고 핵 융합은 별의 표면으로 이동함 → 반응이 일어나는 면적이 증가하면서 별은 팽창하고, 내부는 헬륨의 밀도 때문에 수축함
온도가 상승하여 2억 K에 도달하면 헬륨이 핵 융합하여 탄소가 생성되고, 탄소는 헬륨과 반응하여 산소가 됨
원자의 구조와 특징
1. 돌턴(1803)의 원자 모형
물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 딱딱한 원자로 이루어져 있음
돌턴의 원자 모형
특징
화학의 기본 법칙(질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙) 설명의 이론적 토대 수립
한계점
톰슨의 음극선 실험 결과 설명 불가능
2. 톰슨(1897년)의 원자 모형
(+)전하를 띤 부드러운 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 드문드문 박혀 있음
톰슨의 원자 모형
특징
원자가 고른 밀도를 가진 (+)전하를 띤 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 박혀 있다고 주장하여 원자의 전기적 성질을 일부 설명함
한계점
러더퍼드의 알파 입자 산란 실험 결과 설명 불가능
3. 러더퍼드(1911년)의 원자 모형
원자의 중심에 크기가 매우 작고 질량이 큰 (+)전하를 띤 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 돌고 있음
러더퍼드의 원자 모형
특징
원자의 중심에 있는 원자핵의 존재 및 원자핵의 성질과 원자가 대부분 빈 공간임을 밝힘
한계점
수소의 선 스펙트럼 설명 불가능
4. 보어(1913년)의 원자 모형
원자핵을 중심으로 전자는 일정한 에너지를 가지는 원형의 궤도를 돌고 있음
보어의 원자 모형
특징
수소 원자의 선 스펙트럼 설명 가능
한계점
2개 이상의 전자를 가지는 다전자 원자의 선 스펙트럼 설명 불가능
5. 현대의 원자 모형
원자핵 주위에 전자가 발견될 확률만을 알 수 있으며, 확률 분포를 구름과 같은 모양으로 나타냄
현대의 원자 모형
특징
슈뢰딩거(1926년): 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 계산→ 확률 분포를 구름처럼 나타내는 전자 구름 모형 제시
채드윅(1932년): 중성자의 존재 확인→ 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어짐
한계점
점은 전자의 개수를 의미하는 것이 아니라 전자가 존재할 수 있는 확률 분포를 나타냄
물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 딱딱한 원자로 이루어져 있음
돌턴의 원자 모형
특징
화학의 기본 법칙(질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙) 설명의 이론적 토대 수립
한계점
톰슨의 음극선 실험 결과 설명 불가능
2. 톰슨(1897년)의 원자 모형
(+)전하를 띤 부드러운 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 드문드문 박혀 있음
톰슨의 원자 모형
특징
원자가 고른 밀도를 가진 (+)전하를 띤 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 박혀 있다고 주장하여 원자의 전기적 성질을 일부 설명함
한계점
러더퍼드의 알파 입자 산란 실험 결과 설명 불가능
3. 러더퍼드(1911년)의 원자 모형
원자의 중심에 크기가 매우 작고 질량이 큰 (+)전하를 띤 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 돌고 있음
러더퍼드의 원자 모형
특징
원자의 중심에 있는 원자핵의 존재 및 원자핵의 성질과 원자가 대부분 빈 공간임을 밝힘
한계점
수소의 선 스펙트럼 설명 불가능
4. 보어(1913년)의 원자 모형
원자핵을 중심으로 전자는 일정한 에너지를 가지는 원형의 궤도를 돌고 있음
보어의 원자 모형
특징
수소 원자의 선 스펙트럼 설명 가능
한계점
2개 이상의 전자를 가지는 다전자 원자의 선 스펙트럼 설명 불가능
5. 현대의 원자 모형
원자핵 주위에 전자가 발견될 확률만을 알 수 있으며, 확률 분포를 구름과 같은 모양으로 나타냄
현대의 원자 모형
특징
슈뢰딩거(1926년): 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 계산→ 확률 분포를 구름처럼 나타내는 전자 구름 모형 제시
채드윅(1932년): 중성자의 존재 확인→ 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어짐
한계점
점은 전자의 개수를 의미하는 것이 아니라 전자가 존재할 수 있는 확률 분포를 나타냄
화학 반응식과 양
1.원자량
질량수가 12인 탄소 원자의 질량을 12.00으로 정하고, 이것을 기준으로 하여 비교한 다른 원자의 상대적인 질량 값→ 원자량은 단위가 없음
원자량이 필요한 이유: 원자 1개의 실제 질량이 매우 작아 불편하기 때문에 원자의 질량을 상대적으로 비교한 질량값인 원자량을 실제 질량 대신 사용
원자량을 나타내는 의미
수소 원자의 원자량이 1이라는 것은 1H 원자 1개의 질량이 ➞ 12C 원자 1개 질량의1/12이라는 의미이다.
평균 원자량 구하기
동위 원소의 존재: 자연계에는 원자 번호(양성자 수)는 같지만 중성자 수가 달라 질량수가 다른 동위 원소가 존재
예) 수소의 동위 원소: 1H, 2H, 3H, 탄소의 동위 원소: 12C, 13C
평균 원자량: 원소에서 각 동위 원소의 존재 비율을 고려하여 평균을 구한 원자량
예) 탄소(C)의 평균 원자량 구하기
[1단계] 자연계에 존재하는 탄소의 동위 원소: 12C 98.90 %, 13C 1.10 %
[2단계] 탄소의 평균 원자량 = 12X98.90+13X1.10/100= 12.011
2.분자량
분자를 구성하는 성분 원자들의 원자량을 모두 합한 값→ 분자량은 단위가 없음
분자식
O2
H2O
CO2
분자
모형
산소
물
이산화 탄소
원자
OO
HO H
OC O
원자량
16.0 16.0
1.016.01.0
16.012.016.0
분자량
16.0X2=32.0
1.0X2+16.0=18.0
16.0X2+12.0=44.0
3. 실험식량
실험식을 이루는 원자량의 합으로, 분자로 존재하지 않는 이온 결정, 원자 결정, 금속 결정은 실험식량으로 화학식량을 나타냄 예) 염화 나트륨(NaCl)의 실험식량: 나트륨의 원자량(23.0)+염소의 원자량(35.5)=58.5
질량수가 12인 탄소 원자의 질량을 12.00으로 정하고, 이것을 기준으로 하여 비교한 다른 원자의 상대적인 질량 값→ 원자량은 단위가 없음
원자량이 필요한 이유: 원자 1개의 실제 질량이 매우 작아 불편하기 때문에 원자의 질량을 상대적으로 비교한 질량값인 원자량을 실제 질량 대신 사용
원자량을 나타내는 의미
수소 원자의 원자량이 1이라는 것은 1H 원자 1개의 질량이 ➞ 12C 원자 1개 질량의1/12이라는 의미이다.
평균 원자량 구하기
동위 원소의 존재: 자연계에는 원자 번호(양성자 수)는 같지만 중성자 수가 달라 질량수가 다른 동위 원소가 존재
예) 수소의 동위 원소: 1H, 2H, 3H, 탄소의 동위 원소: 12C, 13C
평균 원자량: 원소에서 각 동위 원소의 존재 비율을 고려하여 평균을 구한 원자량
예) 탄소(C)의 평균 원자량 구하기
[1단계] 자연계에 존재하는 탄소의 동위 원소: 12C 98.90 %, 13C 1.10 %
[2단계] 탄소의 평균 원자량 = 12X98.90+13X1.10/100= 12.011
2.분자량
분자를 구성하는 성분 원자들의 원자량을 모두 합한 값→ 분자량은 단위가 없음
분자식
O2
H2O
CO2
분자
모형
산소
물
이산화 탄소
원자
OO
HO H
OC O
원자량
16.0 16.0
1.016.01.0
16.012.016.0
분자량
16.0X2=32.0
1.0X2+16.0=18.0
16.0X2+12.0=44.0
3. 실험식량
실험식을 이루는 원자량의 합으로, 분자로 존재하지 않는 이온 결정, 원자 결정, 금속 결정은 실험식량으로 화학식량을 나타냄 예) 염화 나트륨(NaCl)의 실험식량: 나트륨의 원자량(23.0)+염소의 원자량(35.5)=58.5
2015년 1월 19일 월요일
화학식의 결정
앙금 생성 반응의 이용
서로 다른 이온이 녹아 있는 전해질 수용액을 혼합시킬 때 이온들이 반응하여 물에 녹지 않는 불용성 염인 앙금이 생성되는 반응을 앙금 생성 반응이라고 한다. 이때 특정 이온과 앙금을 생성하는 경우, 생성되는 반응을 앙금 생성 반응이라고 한다. 이때 특정 이온과 앙금을 생성하는 경우, 생성된 앙금의 색깔로부터 앙금을 생성하는 이온의 종류를 확인할 수 있으며, 이온의 종류로부터 물질을 구성하는 원소의 종류를 알 수 있다.
염화은(AgCl)의 생성 반응
염화나트륨 수용액에 질산은 수용액을 가하면 염화나트륨 수용액의 염화 이온이 질산은 수용액의 은 이온과 반응하여 흰색 앙금인 염화 은이 생성된다. 따라서 미지의 수용액에 속의 Cl은 질산은 수용액을 가했을 때의 흰색 앙금 생성 여부로 확인할 수 있다.
탄산칼슘의 생성
염화칼슘 수용액에 탄산나트륨 수용액을 가하면 탄산칼슘의 흰색 앙금이 생성되므로 염화칼슘 수용액 속의 Ca은 탄산나트륨 수용액으로 확인할 수 있다.
불꽃 반응
불꽃 반응은 금속 원자가 포함된 시약을 불꽃에 넣으면 특유한 색이 나타나는 것을 말한다. 어떤 금속이 들어있는지 확인하는 데에 쓴다. 불순물로 나트륨이 들어 있는 경우 강한 노란색 불꽃이 생기기 때문에, 노란색 말고 다른 색을 보기 위해 파란색 코발트 유리를 통해서 불꽃을 보는 경우도 있다.
이는 열에 의해 원자(또는 이온)의 전자들이 들뜬 상태로 전이했다 안정된 상태로 전이하며 방출하는 선 스펙트럼(방출 스펙트럼)이다. 원자마다 에너지 준위가 각기 다르기 때문에 방출 스펙트럼이 서로 달라 다른 색의 빛을 내는 것이다.
질량 백분율
원자량과 분자량의 관계를 이용해서 분자를 구성하는 원자들의 질량백분율을 계산할 수 있으며, 질량백분율은 다음과 같은 식을 통해 얻어진다.
분자 X에 대해서 원소 Y가 차지하는 질량백분율(%)= (원자Y의 원자량/분자X의분자량)x100
예를 들면, 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 구성되어 있으므로, 물 분자 중에서 산소와 수소가 각각 차지하는 질량의 백분비가 질량백분율이 된다.
물은 1.0×2+16.0=18.0의 분자량을 가진다. 그 중에서 수소는 원자량이 1.0이고 두 개의 원자를 가지므로 물 분자 내에서 2.0의 원자량을 차지하게 된다. 산소의 경우는 원자량 16.0인 원자 하나가 존재하므로, 물 분자 내에서 16.0의 원자량을 차지한다. 따라서 수소는 물의 분자량 18.0 중에서 2.0만큼의 비율로 차지하므로 (2.0/18.0)x100 ≒ 11.1%의 질량백분율을 가진다고 할 수 있다. 반면 산소는 물의 분자량 18.0 중에서 16.0의 비율을 차지하므로 (16.0/18.0)x100 ≒ 88.9%의 질량백분율을 가지게 된다.
반대로, 실험을 통해 얻은 질량백분율을 각 원자의 원자량으로 나누어서 원자 수의 비를 얻을 수가 있다. 얻은 원자 수의 비를 간단한 정수비로 나타낸 것이 실험식이므로 질량백분율을 통해 화합물의 실험식을 구하는 데 사용할 수 있다.
원소 분석
정성원소분석, 즉 원소검출법에서는 유기화합물을 구성하고 있는 각 원소에 따라 여러 가지 방법이 사용되지만, 모두 유기화합물을 분해하여 간단한 무기화합물로 검출한다. 대부분의 경우 탄소와 수소가 함유되어 있으므로, 탄소와 수소의 검출은 하지 않는 경우가 많지만, 특수한 경우에는 시료를 연소시켜서 탄소와 수소를 이산화탄소(탄산가스)와 물로 변하게 하여 검출한다. 황·할로젠 등은 시료를 나트륨의 작은 조각과 함께 가열·분해하여 각각 CN-, S2－, X- 등으로 검출한다. 또한 할로겐의 경우에는 시료를 구리선에 묻혀서 분젠버너의 바깥불꽃 속에서 청록색의 불꽃반응에 의해서 검출하는 바일슈타인반응도 행하여진다.
정량원소분석, 즉 함유량을 결정하는 방법에는 채취하는 시료의 양에 따라서 상량법(0.2∼0.3g)·반미량법·미량법(미크로법이라고도 하며, 상량법의 100분의 1) 등이 있는데, 그 원리는 거의 변함이 없다. 보통 원소분석이라고 할 때에는 정량원소분석, 특히 탄소·수소·질소의 분석을 가리키는 경우가 많다. 일반적으로 이들의 정량분석에서는, 처음에 시료를 목적에 맞는 적당한 조건하에서 연소 또는 분해시켜서, 탄소·수소의 분석에서는 각각 이산화탄소와 물의 무게를 측정함으로써 동시에 결정한다.
질소의 경우에는 탄소나 수소와는 별도로 시료를 취하여, 질소기체의 부피를 측정하는 뒤마의 질소정량법, 또는 암모니아를 생성시켜서 그 양을 측정하는 켈달법이 흔히 행하여진다. 할로젠에서는 할로젠화은을 만들어 그 무게를 측정하는 칼리우스법·프레글법, 또는 황산은을 만드는 스트라간드법, 인에서는 메싱거법 등이 사용된다. 또한 산소는 수소기류 속에서 시료를 분해하여 백금촉매 위를 지나게 하여 수증기를 만들어서 정량할 수도 있다. 그러나 일반적으로는 직접 분석하지 않고 다른 원소의 백분율의 총합에서 산출한다.
포도당의 연소 생성물인 이산화탄소와 물의 질량
이산화탄소의 질량 : 소다석회는 NaOH과 CaO의 혼합물로, 이산화탄소를 흡수하므로 증가한 소다석회관의 질량이 포도당의 연소로 발생한 이산화탄소의 질량이다.
물의 질량 : 염화칼슘은 물을 흡수하므로 증가한 염화칼슘관의 질량이 포도당의 연소로 발생한 물의 질량이다.
서로 다른 이온이 녹아 있는 전해질 수용액을 혼합시킬 때 이온들이 반응하여 물에 녹지 않는 불용성 염인 앙금이 생성되는 반응을 앙금 생성 반응이라고 한다. 이때 특정 이온과 앙금을 생성하는 경우, 생성되는 반응을 앙금 생성 반응이라고 한다. 이때 특정 이온과 앙금을 생성하는 경우, 생성된 앙금의 색깔로부터 앙금을 생성하는 이온의 종류를 확인할 수 있으며, 이온의 종류로부터 물질을 구성하는 원소의 종류를 알 수 있다.
염화은(AgCl)의 생성 반응
염화나트륨 수용액에 질산은 수용액을 가하면 염화나트륨 수용액의 염화 이온이 질산은 수용액의 은 이온과 반응하여 흰색 앙금인 염화 은이 생성된다. 따라서 미지의 수용액에 속의 Cl은 질산은 수용액을 가했을 때의 흰색 앙금 생성 여부로 확인할 수 있다.
탄산칼슘의 생성
염화칼슘 수용액에 탄산나트륨 수용액을 가하면 탄산칼슘의 흰색 앙금이 생성되므로 염화칼슘 수용액 속의 Ca은 탄산나트륨 수용액으로 확인할 수 있다.
불꽃 반응
불꽃 반응은 금속 원자가 포함된 시약을 불꽃에 넣으면 특유한 색이 나타나는 것을 말한다. 어떤 금속이 들어있는지 확인하는 데에 쓴다. 불순물로 나트륨이 들어 있는 경우 강한 노란색 불꽃이 생기기 때문에, 노란색 말고 다른 색을 보기 위해 파란색 코발트 유리를 통해서 불꽃을 보는 경우도 있다.
이는 열에 의해 원자(또는 이온)의 전자들이 들뜬 상태로 전이했다 안정된 상태로 전이하며 방출하는 선 스펙트럼(방출 스펙트럼)이다. 원자마다 에너지 준위가 각기 다르기 때문에 방출 스펙트럼이 서로 달라 다른 색의 빛을 내는 것이다.
질량 백분율
원자량과 분자량의 관계를 이용해서 분자를 구성하는 원자들의 질량백분율을 계산할 수 있으며, 질량백분율은 다음과 같은 식을 통해 얻어진다.
분자 X에 대해서 원소 Y가 차지하는 질량백분율(%)= (원자Y의 원자량/분자X의분자량)x100
예를 들면, 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 구성되어 있으므로, 물 분자 중에서 산소와 수소가 각각 차지하는 질량의 백분비가 질량백분율이 된다.
물은 1.0×2+16.0=18.0의 분자량을 가진다. 그 중에서 수소는 원자량이 1.0이고 두 개의 원자를 가지므로 물 분자 내에서 2.0의 원자량을 차지하게 된다. 산소의 경우는 원자량 16.0인 원자 하나가 존재하므로, 물 분자 내에서 16.0의 원자량을 차지한다. 따라서 수소는 물의 분자량 18.0 중에서 2.0만큼의 비율로 차지하므로 (2.0/18.0)x100 ≒ 11.1%의 질량백분율을 가진다고 할 수 있다. 반면 산소는 물의 분자량 18.0 중에서 16.0의 비율을 차지하므로 (16.0/18.0)x100 ≒ 88.9%의 질량백분율을 가지게 된다.
반대로, 실험을 통해 얻은 질량백분율을 각 원자의 원자량으로 나누어서 원자 수의 비를 얻을 수가 있다. 얻은 원자 수의 비를 간단한 정수비로 나타낸 것이 실험식이므로 질량백분율을 통해 화합물의 실험식을 구하는 데 사용할 수 있다.
원소 분석
정성원소분석, 즉 원소검출법에서는 유기화합물을 구성하고 있는 각 원소에 따라 여러 가지 방법이 사용되지만, 모두 유기화합물을 분해하여 간단한 무기화합물로 검출한다. 대부분의 경우 탄소와 수소가 함유되어 있으므로, 탄소와 수소의 검출은 하지 않는 경우가 많지만, 특수한 경우에는 시료를 연소시켜서 탄소와 수소를 이산화탄소(탄산가스)와 물로 변하게 하여 검출한다. 황·할로젠 등은 시료를 나트륨의 작은 조각과 함께 가열·분해하여 각각 CN-, S2－, X- 등으로 검출한다. 또한 할로겐의 경우에는 시료를 구리선에 묻혀서 분젠버너의 바깥불꽃 속에서 청록색의 불꽃반응에 의해서 검출하는 바일슈타인반응도 행하여진다.
정량원소분석, 즉 함유량을 결정하는 방법에는 채취하는 시료의 양에 따라서 상량법(0.2∼0.3g)·반미량법·미량법(미크로법이라고도 하며, 상량법의 100분의 1) 등이 있는데, 그 원리는 거의 변함이 없다. 보통 원소분석이라고 할 때에는 정량원소분석, 특히 탄소·수소·질소의 분석을 가리키는 경우가 많다. 일반적으로 이들의 정량분석에서는, 처음에 시료를 목적에 맞는 적당한 조건하에서 연소 또는 분해시켜서, 탄소·수소의 분석에서는 각각 이산화탄소와 물의 무게를 측정함으로써 동시에 결정한다.
질소의 경우에는 탄소나 수소와는 별도로 시료를 취하여, 질소기체의 부피를 측정하는 뒤마의 질소정량법, 또는 암모니아를 생성시켜서 그 양을 측정하는 켈달법이 흔히 행하여진다. 할로젠에서는 할로젠화은을 만들어 그 무게를 측정하는 칼리우스법·프레글법, 또는 황산은을 만드는 스트라간드법, 인에서는 메싱거법 등이 사용된다. 또한 산소는 수소기류 속에서 시료를 분해하여 백금촉매 위를 지나게 하여 수증기를 만들어서 정량할 수도 있다. 그러나 일반적으로는 직접 분석하지 않고 다른 원소의 백분율의 총합에서 산출한다.
포도당의 연소 생성물인 이산화탄소와 물의 질량
이산화탄소의 질량 : 소다석회는 NaOH과 CaO의 혼합물로, 이산화탄소를 흡수하므로 증가한 소다석회관의 질량이 포도당의 연소로 발생한 이산화탄소의 질량이다.
물의 질량 : 염화칼슘은 물을 흡수하므로 증가한 염화칼슘관의 질량이 포도당의 연소로 발생한 물의 질량이다.
2015년 1월 7일 수요일
몰과 아보가드로수
몰(mole, 줄여서 mol)이란, 화학에서 사용하는 단위를 뜻하는 말로, 12g의 순수한12C중에 들어있는 탄소의 수를 말한다. 편하게 화학에서 쓰는 단위라고 기억해도 된다.
어쨌든, 12g의 순수한 12C중에 들어있는 탄소의 수를 센사람이 있으니 몰이라는 개념이 나왔을 것이다. 바로 아보가드로(Avogadro)다. 그 개수는 6.02214 X 1023다. 어떤 물질이든지 1몰이 있다고 하면 그 물질을 구성하고 있는 물질들이 6.02214 X 1023개씩 존재한다. 예를 들면, 계란 한판은 계란이 30개, 계란 1몰은 계란이 6.02214 X 1023개다.
이 '6.02214 X 1023'을 아보가드로의 이름을 따서 아보가드로 수라고 한다.
수소의 원자량 또는 분자량 : 1
1몰의 질량 : 1g
탄소의 원자량 또는 분자량 : 12
1몰의 질량 : 12g
원자 1개의 질량 = 원자 1몰의 질량 / 아보가드로수 = 원자량 / 6.02*10^23 g
분자 1개의 질량 = 분자 1몰의 질량 / 아보가드로수 = 분자량 / 6.02*10^23 g
기체 A의 질량 / 기체 B의 질량 = 기체 A의 분자량 / 기체 B의 분자량 = 기체 A의 밀도 / 기체 B의 밀도
기체 1몰의 부피 = 22.4L (표준 상태)
기체의 부피 = 몰 수 * 22.4L (표준 상태)
기체의 몰 수 = 기체의 부피 (L) / 22.4 (L/몰) (표준 상태)
기체 1몰의 질량 = 기체 22.4L의 질량 = 그램분자량 (g) (표준 상태)
같은 온도와 압력에서 같은 부피 속에 기체 1, 기체 2가 각각 들어가 있다면 아보가드로 법칙에 따라 두 기체의 질량비는 두 기체의 분자량의 비가 같으며, 같은 조건에서 두 기체의 밀도의 비는 분자량의 비와 같다. 따라서 기체의 질량과 분자량, 밀도 사이에는 관계가 성립한다.
변환 인자로서의 몰
몰은 원자, 분자, 이온 등의 입자 수의 묶음 단위로 정의되었지만, 입자 수뿐만 아니라 질량이나 기체의 부피를 다룰 때에도 사용된다. 또한 입자 수, 질량, 기체의 부피를 상호 변환할 때 사용되기도 한다.
기체 A의 질량 / 기체 B의 질량 = 기체 A의 분자량 / 기체 B의 분자량 = 기체 A의 밀도 / 기체 B의 밀도
기체 1몰의 부피 = 22.4L (표준 상태)
기체의 부피 = 몰 수 * 22.4L (표준 상태)
기체의 몰 수 = 기체의 부피 (L) / 22.4 (L/몰) (표준 상태)
기체 1몰의 질량 = 기체 22.4L의 질량 = 그램분자량 (g) (표준 상태)
같은 온도와 압력에서 같은 부피 속에 기체 1, 기체 2가 각각 들어가 있다면 아보가드로 법칙에 따라 두 기체의 질량비는 두 기체의 분자량의 비가 같으며, 같은 조건에서 두 기체의 밀도의 비는 분자량의 비와 같다. 따라서 기체의 질량과 분자량, 밀도 사이에는 관계가 성립한다.
변환 인자로서의 몰
몰은 원자, 분자, 이온 등의 입자 수의 묶음 단위로 정의되었지만, 입자 수뿐만 아니라 질량이나 기체의 부피를 다룰 때에도 사용된다. 또한 입자 수, 질량, 기체의 부피를 상호 변환할 때 사용되기도 한다.
화학식
원소 기호와 숫자를 이용하여 물질을 이루는 원자나 이온을 나타낸 식을 화학식이라고 하며, 화학식에는 실험식, 분자식, 시성식 및 구조식이 있다.
실험식 | 물질을 이루는 원자나 이온의 종류와 수를 가장 간단한 정수의 비로 나타낸 식을 실험식이라고 한다. 실험식은 조성식이라고도 하며, 물질을 구성하는 성분을 실험으로 알아낼 때 가장 먼저 구할 수 있는 화학식이다. 예를 들어 아세트산을 구성하는 원자 수의 가장 간단한 정수의 비가 C : H : O = 1 : 2 : 1 이므로 실험식은 CH20다.
분자식 | 분자 1개를 이루는 모든 원자들의 종류와 수를 나타낸 식을 분자식이라고 한다.
공유 결합 물질의 분자식과 실험식
아세트산과 폼알데하이드 : 아세트산은 탄소 원자 2개, 수소 원자 4개, 산소 원자 2개가 공유 결합하여 형성된 것이므로 분자식은 C2H4O2이다. 폼알데하이드는 탄소 원자 1개, 수소 원자 2개, 산소 원자 1개가 공유 결합하여 형성된 것이므로 분자식은 CH2O이다. 반면 아세트산과 폼알데하이드를 이루는 탄소, 수소, 산소 원자 수의 가장 간단한 정수비가 1:2:1이므로 실험식은 CH2O로 같다.
험식(empirical formula): 화합물에서 원자의 가장 간단한 정수비
아세틸렌(C2H2)과 벤젠(C6H6) → CH
퍼센트 조성으로부터 실험식을 얻은 과정
1. 퍼센트 조성을 실제 질량으로 바꾼다
2. 질량을 각 원소의 몰수로 변환한다
3. 각 원소들의 몰수의 정수비를 구한다
시성식 | 탄소 화합물의 성질은 몇 개의 원자가 결합한 원자단에 의해 결정되는데, 이러한 원자단을 작용기라고 한다. 비슷한 작용기를 가지는 화합물들은 공통적인 화학 성질을 공유하므로 작용기를 따로 쓰는 방법으로 화학식을 나타내면 이 물질의 간략한 성질을 쉽게 알 수 있다.
메탄올의 분자식은 CH4O로 나타낸다. 하지만 CH3OH의 형태로 표시하면 -OH 작용기(하이드록시기)를 가지며, C2H6O의 분자식을 가지는 에탄올 또한 C2H5OH로 표시하면 -OH 작용기를 가짐을 알 수 있다.
CH3OH나 C2H5OH의 형태로 작용기를 써서 나타내는 화학식을 시성식이라 한다. 분자식으로 표시하면 두 물질의 특성에 관한 정보는 잘 알 수 없지만, 시성식으로 표시하면 -OH를 통해서 이 물질들이 극성의 알코올이라는 것을 알 수 있게 된다.
구조식 | 분자를 이루는 원자 사이의 결합 모양과 배열 상태를 결합선을 사용하여 나타낸 식을 구조식이라고 한다.
- 아세트산의 구조식
제 4장 주기율표와 화합물의 명명
* 화학언어 → 화학명명법에 따라 정해짐 → 약간 암기 필요
4-1 원소의 분류: 금속과 비금속, 활성과 비활성 금속
그림 4-1 금속의 두 가지 성질
어떻게 원소를 두 부류로 나누는가?
* 금속(metal): 뽑힘성(철사), 퍼짐성(철판), 전기 및 열전도
* 비금속(nonmetal): 전기를 전도하지 않음. 기체, 액체 또는 무른 고체
그림 4-2 비금속
예외: 매우 굳은 비금속: 탄소(다이아몬드)
매우 무른 금속: 수은
* 준금속(metalloid): 금속과 비금속의 중간 성질
금속을 두 부류로 나누는 명확한 경계는 무엇인가?
* 금속의 반응성(활성 및 비활성)
① 비활성(inactive) 금속: 화학반응에 대한 저항력이 크다
금, 은, 구리 → 희귀성, 아름다움, 화학적으로 비활성
→ 貴金屬(noble metal)
그림 4-3 금속의 한 종류
② 활성(active) 금속: 공기나 물에 대해 반응성이 매우 크다
리튬, 나트륨, 칼륨 → 기름 속에 저장
4-2 주기율표
그림 4-4 주기율표
* 1865년 러시아인 D. Mendeleev와 1870년 독일인 L. Meyer에 의해 독자적으로 만들어짐
→ 원소를 원자량이 증가하는 순서로 배열하였을 때 같은 족에 속하는 원소가 일정한 주기를 두고 다시 나타남을 관찰
→ 이때까지 원자번호는 알려지지 않았음
초기 주기율표에 원소가 맞지 않으면 어떤 일이 생기는가?
* 문제점
① 어떤 족에서는 성질이 비슷하지 않은 원소가 배치되기도 하였다
→ 이런 원소는 유사한 성질을 갖는 원소의 족에 배치함으로 해결
→ 따라서 빈 자리가 생김
→ 예: 규소와 주석사이: eka-규소: 게르마늄
② 위치가 잘못 결정
예) 텔루르(Te, 원자번호 52, 원자량 127.60)은 요오드(I, 원자번호53, 원자량 126.90)보다 원자량이
더 크다
→ Mendeleev는 성질상 요오드는 브롬아래, 텔루르는 셀렌아래 놓여 야 한다는 것을 알았다
→ 원자량이 잘못 결정되었다고 생각
→ 원자량 대신 원자번호 순으로 배열하면 이런 문제가 생기지 않음
* 따라서 원소의 성질은 원자번호의 주기적 함수이다
→ 주기율표(週期律表, periodic table)
4-3 주기율표에서 주기와 족
* 주기율표에서 원소의 가로줄: 주기(period)
세로줄: 족(group)
* 족 번호: ① 로마숫자 뒤에 A 또는 B ② 1∼18까지의 수
원소를 족으로 분류할 수 있는가?
* 원소의 네 가지 분류
① 주족(또는 대표)원소(ⅠA∼ⅦA):
알칼리(alkali) 금속(ⅠA), 알칼리토(alkaline earth) 금속(ⅡA),
할로겐(halogen) 원소(ⅦA), 칼코겐(chalcogen) 원소(ⅥA)
② 영족(noble) 기체 또는 비활성(inert) 기체(Ⅷ족)
③ 전이(轉移, transition) 금속(B족 원소)
④ 내부전이(inner transition) 금속:
㉠ 란타나이드(lanthanide or 희토류, rare earth) 그리고 ㉡ 악티나이드(actinide)
4-4 주기율표의 사용법
* 주기율표의 원소의 위치로부터 그 원소가 ① 금속인지 비금속인지 그리고
② 실온에서 기체인지 고체인지를 알 수 있다
그림 4-4 주기율표
* 굵은 선 왼쪽: 금속(원소의 약 80%), 오른쪽: 비금속,
경계선: 준금속(metalloid or semimetal)
그림 4-5 원소의 물리적 상태
왜 온도를 명시하여야 하는가?
* 물리적 상태(고체, 액체, 기체) → 온도에 따라 변한다 → 25℃ 실온
① 기체: 주기율표 오른쪽 위(질소, 산소, 플루오르, 염소 등)와 영족기체
② 액체: 수은(금속)과 브롬(비금속) (29℃이상에서 갈륨과 세슘이 액체)
③ 고체: 그외 나머지 원소
* 비금속 원소의 분자
① 일원자 분자: 영족기체(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)
② 이원자 분자: H2, N2, O2 및 할로겐(F2, Cl2, Br2, I2)
③ 다원자 분자: P4(사면체), S8(왕관모양),
C(다이아몬드, 흑연, 풀러렌) (그물모양)
4-5 금속-비금속 이성분 화합물의 명명
* 유기화합물 → 주로 C, H, O로 이루어져 있다
* 무기화합물
→ 관용명(common name): H2O(water), NH3(ammonia), CH4(methane)
→ 체계적인 명명법 필요
금속과 비금속 사이에 화학적 성질 차이는 무엇인가?
(1) 이성분 화합물(binary compound): 두 종류의 원소로 이루어진 화합물
→ 금속-비금속, 비금속-비금속
→ 금속: ① 한가지 전하만을 갖는 금속(Ca2+),
② 두 가지 이상의 전하를 갖는 금속(Fe2+, Fe3+)
① 한 가지 하전만 가질 수 있는 금속
그림 4-6 대표원소의 일원자 이온
화합물에서 먼저 쓰는 원소를 어떻게 알 수 있는가?
㉠ 영어로 명명하거나 화학식을 쓸 때 금속을 먼저 쓰고 비금속을 나중에 쓴다
우리말로 쓸 때는 비금속을 먼저, 금속을 나중에 쓴다
㉡ 금속 양이온은 그대로, 음이온은 어간에 -ide(-화)를 붙인다
NaCl (sodium, chlorine) sodium chloride 염화 나트륨
CaO (calcium, oxygen) calcium oxide 산화 칼슘
㉢ 중성 화합물의 이름으로부터 화학식을 쓸 때 양전하의 수와 음전하의 수가 같도록 하여야 한다
Na+Cl-, Ca2+O2-, Mg2+Cl2-
② 한 종류 이상의 하전을 가지는 금속
염화칼슘(Ⅱ)는 왜 올바른 표현이 아닐까?
FeCl2, FeCl3,
㉠ Stock 법: 금속의 하전수를 금속이름 뒤의 괄호에 로마숫자로 표시
: 알려진 음이온의 하전을 이용하여 금속의 하전을 결정해야 한다
iron(Ⅱ) chloride 염화 철(Ⅱ), iron(Ⅲ) chloride 염화 철(Ⅲ)
㉡ 고전적인 법: 영어이름 어간에
ⓐ 낮은 산화상태의 금속에는 -ous,
ⓑ 높은 산화상태의 금속에는 -ic를 붙인다
ferrous chloride 염화 제 1철, ferric chloride 염화 제 2철
4-6 다원자 이온 화합물의 명명
표 4-1 다원자 이온
* 다원자 이온을 포함한 화합물의 거의 대부분 이온성
→ 명명할 때나 화학식을 쓸 때는 금속이온(양이온)을 먼저, 음이온은 나중에
* 다원자 음이온은 산소와 다른 원소 하나로 이루어져 있다
→ 산소산 음이온(oxyanion)
㉠ 산소산의 종류가 2개인 경우
ⓐ 산소의 수가 적은 음이온 → 어간에 -ite(접두어로 "아")를 붙인다
ⓑ 더 많은 음이온 → 어간에 -ate를 붙인다
SO32- sulfite(아황산) SO42- sulfate(황산)
㉡ 산소산의 종류가 4개인 경우(할로겐 원소)
ⓐ -ite 보다 산소가 하나 더 적으면, 접두사로 hypo-(하이포, 次亞)
ⓑ -ate보다 산소가 하나 더 많으면, 접두사로 per-(과) 를 붙인다
ClO- hypochlorite 하이포아염소산 이온
ClO2- chlorite 아염소산 이온
ClO3- chlorate 염소산 이온
ClO4- perchlorate 과염소산 이온
* 두 개이상의 원자로 구성된 어떤 음이온은 일원자 음이온처럼 행동
: 어간에 -ide(화)를 붙인다
: CN- cyanide 시안화 이온, OH- hydroxide 수산화 이온
* 염(salt): 양이온과 음이온의 결합으로 형성된 이온결합성 화합물
: OH-나 O2-이온과 양이온에 형성된 화합물은 염이라고 하지 않음
KNO3, CaSO4, NaCl
* 다원자이온을 가진 화합물을 명명하거나 화학식을 쓸 때 금속-비금속 의 경우와 같은 과정을 따른다
: 금속을 먼저 쓰고, 다원자 이온을 나중에 쓴다
예) Cr2(SO4)3 chromium(Ⅲ) sulfate 황산 크롬(Ⅲ)
4-7 비금속-비금속 이성분 화합물의 명명
왜 이염화칼슘이 합법적인 이름이 아닐까?
* 일반적으로 전기음성도가 작은 비금속을 큰 것보다 먼저 쓰고 명명
→ 순서: H(2.11), C(2.50), S(2.44), N(3.07), Br(2.74), Cl(2.83), O(3.50)
→ but, 수소(2.11)가
㉠ ⅥA족과 ⅦA족에 있는 비금속과 결합할 때 수소를 먼저 쓴다: H2O, HF
㉡ ⅢA족, Ⅳ족, Ⅴ족에 있는 비금속과 결합할 때 나중에 쓴다: BH3, CH4, SiH4, NH3, PH3
* 명명할 때
① 일반적으로 전기음성도가 작은 비금속을 먼저 명명하고, 전기음성도 가 큰 비금속은 나중에 명명하며
어간에 -ide(-화)를 붙인다
② 같은 비금속 화합물이 하나 이상 존재한다면, 각 원소의 수를 그리스 접두어를 이용하여 구별한다
→ Stock 법을 사용하지 않는다
→ ∵ 두 화합물의 식별이 용이하지 않기 때문
NO2 N2O4 둘 모두 nitrogen(Ⅳ) oxide 산화 질소(Ⅳ)
표 4-2 그리스 문자로 된 접두어
표 4-3 질소 산화물
사진: 이산화질소
* 비금속 원소 하나가 먼저 나올 경우에는 mono는 사용하지 않으나,
나중에 나올 경우에는 mono를 사용한다
* monoxide의 경우에 발음을 쉽게 할 수 있도록 mono의 o를 생략한다
* 관용명(common name)도 사용: H2O(water), NH3(ammonia) 등
규칙에 예외는 없는가?
* TiO2 titanium(Ⅳ) oxide 산화 티타늄(Ⅳ)
UF6 uranium(Ⅵ) fluoride 플루오르화 우라늄(Ⅵ)
→ 금속이온의 하전이 +3을 초과하여 화합물의 성질이 이온성보다는 공유성을 가질 때
→ 비금속-비금속 화합물처럼 명명하기도 한다
TiO2 titanium dioxide, UF6 uranium hexafluoride
4-8 산의 명명
* 산(acid): 수용액에서 H+을 내는 화합물(Arrhenius 이론)
* 이성분산(binary acid)
① 순수한 상태에서 수소는 +1 하전을 가지는 금속처럼 명명
HCl hydrogen chloride 염화수소
H2S hydrogen sulfide 황화수소
② 물에서 해리하였을 때
hydrogen → hydro-, -ide → -ic acid
HCl hydrochloric acid 염산
표 4-4 이성분산
* 산소산(oxyacid): 산소산 음이온으로부터 형성된 산
-ate → ic acid(산), -ite → ous acid (아- 산)
HNO3 nitric acid HNO2 nitrous acid
HClO hypochlorous acid HClO2 chlorous acid HClO3 chloric acid HClO4 perchloric acid
1.원자량
아세틸렌(C2H2)과 벤젠(C6H6) → CH
퍼센트 조성으로부터 실험식을 얻은 과정
1. 퍼센트 조성을 실제 질량으로 바꾼다
2. 질량을 각 원소의 몰수로 변환한다
3. 각 원소들의 몰수의 정수비를 구한다
시성식 | 탄소 화합물의 성질은 몇 개의 원자가 결합한 원자단에 의해 결정되는데, 이러한 원자단을 작용기라고 한다. 비슷한 작용기를 가지는 화합물들은 공통적인 화학 성질을 공유하므로 작용기를 따로 쓰는 방법으로 화학식을 나타내면 이 물질의 간략한 성질을 쉽게 알 수 있다.
메탄올의 분자식은 CH4O로 나타낸다. 하지만 CH3OH의 형태로 표시하면 -OH 작용기(하이드록시기)를 가지며, C2H6O의 분자식을 가지는 에탄올 또한 C2H5OH로 표시하면 -OH 작용기를 가짐을 알 수 있다.
CH3OH나 C2H5OH의 형태로 작용기를 써서 나타내는 화학식을 시성식이라 한다. 분자식으로 표시하면 두 물질의 특성에 관한 정보는 잘 알 수 없지만, 시성식으로 표시하면 -OH를 통해서 이 물질들이 극성의 알코올이라는 것을 알 수 있게 된다.
구조식 | 분자를 이루는 원자 사이의 결합 모양과 배열 상태를 결합선을 사용하여 나타낸 식을 구조식이라고 한다.
- 아세트산의 구조식제 4장 주기율표와 화합물의 명명
* 화학언어 → 화학명명법에 따라 정해짐 → 약간 암기 필요
4-1 원소의 분류: 금속과 비금속, 활성과 비활성 금속
그림 4-1 금속의 두 가지 성질
어떻게 원소를 두 부류로 나누는가?
* 금속(metal): 뽑힘성(철사), 퍼짐성(철판), 전기 및 열전도
* 비금속(nonmetal): 전기를 전도하지 않음. 기체, 액체 또는 무른 고체
그림 4-2 비금속
예외: 매우 굳은 비금속: 탄소(다이아몬드)
매우 무른 금속: 수은
* 준금속(metalloid): 금속과 비금속의 중간 성질
금속을 두 부류로 나누는 명확한 경계는 무엇인가?
* 금속의 반응성(활성 및 비활성)
① 비활성(inactive) 금속: 화학반응에 대한 저항력이 크다
금, 은, 구리 → 희귀성, 아름다움, 화학적으로 비활성
→ 貴金屬(noble metal)
그림 4-3 금속의 한 종류
② 활성(active) 금속: 공기나 물에 대해 반응성이 매우 크다
리튬, 나트륨, 칼륨 → 기름 속에 저장
4-2 주기율표
그림 4-4 주기율표
* 1865년 러시아인 D. Mendeleev와 1870년 독일인 L. Meyer에 의해 독자적으로 만들어짐
→ 원소를 원자량이 증가하는 순서로 배열하였을 때 같은 족에 속하는 원소가 일정한 주기를 두고 다시 나타남을 관찰
→ 이때까지 원자번호는 알려지지 않았음
초기 주기율표에 원소가 맞지 않으면 어떤 일이 생기는가?
* 문제점
① 어떤 족에서는 성질이 비슷하지 않은 원소가 배치되기도 하였다
→ 이런 원소는 유사한 성질을 갖는 원소의 족에 배치함으로 해결
→ 따라서 빈 자리가 생김
→ 예: 규소와 주석사이: eka-규소: 게르마늄
② 위치가 잘못 결정
예) 텔루르(Te, 원자번호 52, 원자량 127.60)은 요오드(I, 원자번호53, 원자량 126.90)보다 원자량이
더 크다
→ Mendeleev는 성질상 요오드는 브롬아래, 텔루르는 셀렌아래 놓여 야 한다는 것을 알았다
→ 원자량이 잘못 결정되었다고 생각
→ 원자량 대신 원자번호 순으로 배열하면 이런 문제가 생기지 않음
* 따라서 원소의 성질은 원자번호의 주기적 함수이다
→ 주기율표(週期律表, periodic table)
4-3 주기율표에서 주기와 족
* 주기율표에서 원소의 가로줄: 주기(period)
세로줄: 족(group)
* 족 번호: ① 로마숫자 뒤에 A 또는 B ② 1∼18까지의 수
원소를 족으로 분류할 수 있는가?
* 원소의 네 가지 분류
① 주족(또는 대표)원소(ⅠA∼ⅦA):
알칼리(alkali) 금속(ⅠA), 알칼리토(alkaline earth) 금속(ⅡA),
할로겐(halogen) 원소(ⅦA), 칼코겐(chalcogen) 원소(ⅥA)
② 영족(noble) 기체 또는 비활성(inert) 기체(Ⅷ족)
③ 전이(轉移, transition) 금속(B족 원소)
④ 내부전이(inner transition) 금속:
㉠ 란타나이드(lanthanide or 희토류, rare earth) 그리고 ㉡ 악티나이드(actinide)
4-4 주기율표의 사용법
* 주기율표의 원소의 위치로부터 그 원소가 ① 금속인지 비금속인지 그리고
② 실온에서 기체인지 고체인지를 알 수 있다
그림 4-4 주기율표
* 굵은 선 왼쪽: 금속(원소의 약 80%), 오른쪽: 비금속,
경계선: 준금속(metalloid or semimetal)
그림 4-5 원소의 물리적 상태
왜 온도를 명시하여야 하는가?
* 물리적 상태(고체, 액체, 기체) → 온도에 따라 변한다 → 25℃ 실온
① 기체: 주기율표 오른쪽 위(질소, 산소, 플루오르, 염소 등)와 영족기체
② 액체: 수은(금속)과 브롬(비금속) (29℃이상에서 갈륨과 세슘이 액체)
③ 고체: 그외 나머지 원소
* 비금속 원소의 분자
① 일원자 분자: 영족기체(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)
② 이원자 분자: H2, N2, O2 및 할로겐(F2, Cl2, Br2, I2)
③ 다원자 분자: P4(사면체), S8(왕관모양),
C(다이아몬드, 흑연, 풀러렌) (그물모양)
4-5 금속-비금속 이성분 화합물의 명명
* 유기화합물 → 주로 C, H, O로 이루어져 있다
* 무기화합물
→ 관용명(common name): H2O(water), NH3(ammonia), CH4(methane)
→ 체계적인 명명법 필요
금속과 비금속 사이에 화학적 성질 차이는 무엇인가?
(1) 이성분 화합물(binary compound): 두 종류의 원소로 이루어진 화합물
→ 금속-비금속, 비금속-비금속
→ 금속: ① 한가지 전하만을 갖는 금속(Ca2+),
② 두 가지 이상의 전하를 갖는 금속(Fe2+, Fe3+)
① 한 가지 하전만 가질 수 있는 금속
그림 4-6 대표원소의 일원자 이온
화합물에서 먼저 쓰는 원소를 어떻게 알 수 있는가?
㉠ 영어로 명명하거나 화학식을 쓸 때 금속을 먼저 쓰고 비금속을 나중에 쓴다
우리말로 쓸 때는 비금속을 먼저, 금속을 나중에 쓴다
㉡ 금속 양이온은 그대로, 음이온은 어간에 -ide(-화)를 붙인다
NaCl (sodium, chlorine) sodium chloride 염화 나트륨
CaO (calcium, oxygen) calcium oxide 산화 칼슘
㉢ 중성 화합물의 이름으로부터 화학식을 쓸 때 양전하의 수와 음전하의 수가 같도록 하여야 한다
Na+Cl-, Ca2+O2-, Mg2+Cl2-
② 한 종류 이상의 하전을 가지는 금속
염화칼슘(Ⅱ)는 왜 올바른 표현이 아닐까?
FeCl2, FeCl3,
㉠ Stock 법: 금속의 하전수를 금속이름 뒤의 괄호에 로마숫자로 표시
: 알려진 음이온의 하전을 이용하여 금속의 하전을 결정해야 한다
iron(Ⅱ) chloride 염화 철(Ⅱ), iron(Ⅲ) chloride 염화 철(Ⅲ)
㉡ 고전적인 법: 영어이름 어간에
ⓐ 낮은 산화상태의 금속에는 -ous,
ⓑ 높은 산화상태의 금속에는 -ic를 붙인다
ferrous chloride 염화 제 1철, ferric chloride 염화 제 2철
4-6 다원자 이온 화합물의 명명
표 4-1 다원자 이온
* 다원자 이온을 포함한 화합물의 거의 대부분 이온성
→ 명명할 때나 화학식을 쓸 때는 금속이온(양이온)을 먼저, 음이온은 나중에
* 다원자 음이온은 산소와 다른 원소 하나로 이루어져 있다
→ 산소산 음이온(oxyanion)
㉠ 산소산의 종류가 2개인 경우
ⓐ 산소의 수가 적은 음이온 → 어간에 -ite(접두어로 "아")를 붙인다
ⓑ 더 많은 음이온 → 어간에 -ate를 붙인다
SO32- sulfite(아황산) SO42- sulfate(황산)
㉡ 산소산의 종류가 4개인 경우(할로겐 원소)
ⓐ -ite 보다 산소가 하나 더 적으면, 접두사로 hypo-(하이포, 次亞)
ⓑ -ate보다 산소가 하나 더 많으면, 접두사로 per-(과) 를 붙인다
ClO- hypochlorite 하이포아염소산 이온
ClO2- chlorite 아염소산 이온
ClO3- chlorate 염소산 이온
ClO4- perchlorate 과염소산 이온
* 두 개이상의 원자로 구성된 어떤 음이온은 일원자 음이온처럼 행동
: 어간에 -ide(화)를 붙인다
: CN- cyanide 시안화 이온, OH- hydroxide 수산화 이온
* 염(salt): 양이온과 음이온의 결합으로 형성된 이온결합성 화합물
: OH-나 O2-이온과 양이온에 형성된 화합물은 염이라고 하지 않음
KNO3, CaSO4, NaCl
* 다원자이온을 가진 화합물을 명명하거나 화학식을 쓸 때 금속-비금속 의 경우와 같은 과정을 따른다
: 금속을 먼저 쓰고, 다원자 이온을 나중에 쓴다
예) Cr2(SO4)3 chromium(Ⅲ) sulfate 황산 크롬(Ⅲ)
4-7 비금속-비금속 이성분 화합물의 명명
왜 이염화칼슘이 합법적인 이름이 아닐까?
* 일반적으로 전기음성도가 작은 비금속을 큰 것보다 먼저 쓰고 명명
→ 순서: H(2.11), C(2.50), S(2.44), N(3.07), Br(2.74), Cl(2.83), O(3.50)
→ but, 수소(2.11)가
㉠ ⅥA족과 ⅦA족에 있는 비금속과 결합할 때 수소를 먼저 쓴다: H2O, HF
㉡ ⅢA족, Ⅳ족, Ⅴ족에 있는 비금속과 결합할 때 나중에 쓴다: BH3, CH4, SiH4, NH3, PH3
* 명명할 때
① 일반적으로 전기음성도가 작은 비금속을 먼저 명명하고, 전기음성도 가 큰 비금속은 나중에 명명하며
어간에 -ide(-화)를 붙인다
② 같은 비금속 화합물이 하나 이상 존재한다면, 각 원소의 수를 그리스 접두어를 이용하여 구별한다
→ Stock 법을 사용하지 않는다
→ ∵ 두 화합물의 식별이 용이하지 않기 때문
NO2 N2O4 둘 모두 nitrogen(Ⅳ) oxide 산화 질소(Ⅳ)
표 4-2 그리스 문자로 된 접두어
표 4-3 질소 산화물
사진: 이산화질소
* 비금속 원소 하나가 먼저 나올 경우에는 mono는 사용하지 않으나,
나중에 나올 경우에는 mono를 사용한다
* monoxide의 경우에 발음을 쉽게 할 수 있도록 mono의 o를 생략한다
* 관용명(common name)도 사용: H2O(water), NH3(ammonia) 등
규칙에 예외는 없는가?
* TiO2 titanium(Ⅳ) oxide 산화 티타늄(Ⅳ)
UF6 uranium(Ⅵ) fluoride 플루오르화 우라늄(Ⅵ)
→ 금속이온의 하전이 +3을 초과하여 화합물의 성질이 이온성보다는 공유성을 가질 때
→ 비금속-비금속 화합물처럼 명명하기도 한다
TiO2 titanium dioxide, UF6 uranium hexafluoride
4-8 산의 명명
* 산(acid): 수용액에서 H+을 내는 화합물(Arrhenius 이론)
* 이성분산(binary acid)
① 순수한 상태에서 수소는 +1 하전을 가지는 금속처럼 명명
HCl hydrogen chloride 염화수소
H2S hydrogen sulfide 황화수소
② 물에서 해리하였을 때
hydrogen → hydro-, -ide → -ic acid
HCl hydrochloric acid 염산
표 4-4 이성분산
* 산소산(oxyacid): 산소산 음이온으로부터 형성된 산
-ate → ic acid(산), -ite → ous acid (아- 산)
HNO3 nitric acid HNO2 nitrous acid
HClO hypochlorous acid HClO2 chlorous acid HClO3 chloric acid HClO4 perchloric acid
1.원자량
질량수가 12인 탄소 원자의 질량을 12.00으로 정하고, 이것을 기준으로 하여 비교한 다른 원자의 상대적인 질량 값→ 원자량은 단위가 없음
- 원자량이 필요한 이유: 원자 1개의 실제 질량이 매우 작아 불편하기 때문에 원자의 질량을 상대적으로 비교한 질량값인 원자량을 실제 질량 대신 사용
→ 수소 원자의 원자량이 1이라는 것은 1H 원자 1개의 질량이 ➞ 12C 원자 1개 질량의1/12이라는 의미이다.
▶ 평균 원자량 구하기
- 동위 원소의 존재: 자연계에는 원자 번호(양성자 수)는 같지만 중성자 수가 달라 질량수가 다른 동위 원소가 존재
- 예) 수소의 동위 원소: 1H, 2H, 3H, 탄소의 동위 원소: 12C, 13C
- 평균 원자량: 원소에서 각 동위 원소의 존재 비율을 고려하여 평균을 구한 원자량
- 예) 탄소(C)의 평균 원자량 구하기
[1단계] 자연계에 존재하는 탄소의 동위 원소: 12C 98.90 %, 13C 1.10 %
[2단계] 탄소의 평균 원자량 = 12X98.90+13X1.10/100= 12.011
|
2.분자량
- 분자를 구성하는 성분 원자들의 원자량을 모두 합한 값→ 분자량은 단위가 없음
분자식
|
O2
|
H2O
|
CO2
|
분자
모형
|  |  |  |
원자
|
OO
|
HO H
|
OC O
|
원자량
|
16.0 16.0
|
1.016.01.0
|
16.012.016.0
|
분자량
|
16.0X2=32.0
|
1.0X2+16.0=18.0
|
16.0X2+12.0=44.0
|
3. 실험식량
- 실험식을 이루는 원자량의 합으로, 분자로 존재하지 않는 이온 결정, 원자 결정, 금속 결정은 실험식량으로 화학식량을 나타냄
- 예) 염화 나트륨(NaCl)의 실험식량: 나트륨의 원자량(23.0)+염소의 원자량(35.5)=58.5
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