화학분석기사 1과목 화학의 이해, 원자

 

 

1. 원자 모형과 주기율표

 

 01. 원자

 

 원자 : 화학적 방법으로 더 이상 쪼개거나 분리할 수 없는 입자입니다. 물질을 이루는 기본 단위입니다.

 원자를 구성하는 입자와 성질입니다.

 

입자		상대적 전하량	상대적 질량
원자핵	양성자	+1	1
	중성자	0	1
전자		-1	0

 

 원자는 원자핵과 전자로 이루어졌습니다. 원자핵은 양성자와 중성자가 뭉쳐서 원자의 가운데에 지구의 핵처럼 뭉쳐져 있습니다. 양성자와 중성자의 질량은 거의 비슷하지만 중성자가 조금 더 질랴이 나갑니다. 양성자는 +1의 상대적 전하량을 갖는 반면, 중성자는 전하량을 거의 띄지 않습니다. 전자는 양성자나 중성자에 비해 매우 작은 질량을 가지고 있습니다. 그러나 전자의 상대적 전하량은 -1입니다. 양성자와 전자의 전하량에 따라 원자는 중성상태를 유지하기도 하고, 양이온, 음이온이 되기도 합니다.

 

원자번호와 질량수

 - 원자는 전기적으로 중성입니다.

 - 원자변호 = 양성자수 = 전자수

 - 질량수 = 양성자수 + 중성자수

 

예) 원자번호 11의 Na은 질량수가 23입니다.

 이는 나트륨의 원자수는 11이고, 전자수도 11 임을 나타냅니다.

 원자수가 11일 때, 나트륨의 중성자수는 12입니다.

 

 

원자 구조의 핵심원리

 - 원자의 중심에 핵(원자핵)이 있습니다.

 - 원자핵의 주위에 전자가 존재하고, 전자는 일정한 에너지 준위의 전자껍질에 있습니다

 - 핵에 가까울수록 전자의 에너지가 낮고, 핵으로부터 멀수록 전자의 에너지가 높습니다.

 - 이론적으로 존재할 수 있는 전자수는 각 전자껍질에서 2(n^2) 2 곱하기 n의 제곱만큼입니다. (n은 껍질번호

   첫 번째 전자껍질에서 2개

   두 번째 전자껍질에서 최대 8개

   세 번째 전자껍질에서 최대 18개

 - 서로 다른 전자껍질 간에 전자가 이동할 때는 전자껍질 간의 에너지 차이만큼 에너지를 흡수하거나 방출합니다.

 바닥상태(ground state) : 낮은 에너지 준위

 들뜬상태(excited statd) : 높은 에너지 준위

 원자는 바닥상태로 원자핵과 가까울 때, 안전한 상태입니다. 들뜬상태에서는 전자가 원자핵의 영향에서 멀어지면서 다른 원자에게 전자를 빼앗길 위험이 있습니다.

 - 전자가 존재하는 가장 바깥쪽 전자껍질

 원자가 전자껍질( 또는 최외각 전자껍질, Valence shell) 

 원자가 전자( 또는 최외각 전자 : 원자가 전자껍질에 존재하는 전자를 칭합니다)

 - 핵에 존재하는 양성자 수(핵의 양전하량이 결정)와 전자껍질 및 원자가 전자가 물질의 화학적 성질을 결정합니다.

 - 핵의 양성자수가 많을수록, 전자껍질수가 적을수록 핵과 원자가 전가 간 인력은 커집니다. 이는 비금속성이 크고, 이온화 에너지가 크며, 전자 친화도가 크다는 것을 보여줍니다. 그리고 전기음성도가 크고, 전자를 얻어 음이온이 되기 쉬운 상태입니다.

 

 

용어구분

 원자(atom)

 - 핵과 전자를 가집니다.

 - 전기적으로 중성입니다.

 - 가장 작은 크기의 입자 단위입니다.

 - 원소의 종류에 따라 원자량은 달라집니다.

 - 개수

 

 분자(Molecule)

 - 두 개 이상의 비금속 원자가 공유결합으로 형성된 입자 단위입니다.

 어떠한 종류의 원소로 구성되었는지, 몇 개의 원자로 구성되었는지에 따라 분자량이 다양합니다.

 

이온(ion)

 - 총 양성자수와 총 전자수가 다른 화학종입니다.

 - 총 양성자수와 총 전자수의 차이로 양이온과 음이온이 결정됩니다.

 - 중성 물질에서 전자를 잃으면 양이온이 됩니다.

 - 중성 물질에서 전자를 얻으면 음이온이 됩니다.

 

원소(Element)

 - 물질의 종류를 분류하는 가장 작은 단위입니다.

 - 핵을 가집니다.

 - 중성자 및 전자의 유무는 상관없습니다.

 - 양성자수에 의해서 규정됩니다.

 - 종류

 

 

 H20

 원소 : H(수소)와 O(산소) 2종류

 원자 : H 2개와 O 1개

 

CH4

 원소 : C(탄소)와 H(수소)

 원자 : C 1개와 H 4개

 

 

 

동위원소

 - 원자번호는 같지만 질량수가 다른 입자입니다.

 - 양성자수는 같지만 중성자수가 다른 원자입니다.

 - 화학적 성질은 같지만 물리적 성질은 다릅니다.

 - 수소, 이중수소, 삼중수소의 원자 질량수는 각각 1, 2, 3이고 화학적 성질이 같습니다. 그러나 물리적 성질과 핵반응이 다릅니다. 

 

 

 

참고) 모즐리의 X-선 방출(X-ray emission) 실험 및 현대적인 해석 (X-선파장 영역 : 0.01~10nm)

 실험

 1. 모든 원소에 넓은 파장 범위의 X-선을 조사합니다. 이를 1차 X-선이라고 합니다.

 2. 각 원소마다 특유의 X-선 파장들을 흡수하여 핵 근처에 있는 전자껍질의 전자가 더 높은 에너지 상태로 이동합니다.

 3. 들뜬 전자는 흡수했던 X-선을 방출하면서 바닥상태로 이동합니다. 방출된 X선을 2차 X-선으로 부릅니다. 각 원소마다 특유의 X-선의 파장을 방출합닌다.

 4. 각 원소에서 방출되는 2차 X-선 중에서 가장 작은 진동수의 제곱근 순서대로 원소들을 배치하여 번호를 매깁니다. 이 것이 원자 번호입니다.

 

 해석

 원자핵에 있는 양성자수가 많을수록 나타나는 현상은 다음과 같습니다.

 1. 핵의 양전하량이 증가합니다.

 2. 핵과 핵 근처의 전자껍질에 있는 전자 간 인력이 증가합니다.

 3. 전자가 흡수할 수 있는 최소 에너지의 X-선의 에너지가 증가합니다.

 4. 전자가 흡수할 수 있는 X-선 에너지의 최소 진동수가 증가합니다.

 5. 들뜬 전자가 바닥상태로 전이하면서 방출하는 최소 진동수의 제급근이 증가합니다.

 6. 원자 번호 즉, 핵의 양성자수가 증가합니다.

 

 X선은 에너지가 정말 많아서 어떤 원소든지 최외각 전자뿐만 아니라 내부 전자껍질의 전자까지도 들뜨게 만들 수 있습니다. 전자가 들뜬 후, 도망가지 않는 한 다시 에너지 준위가 낮은 곳으로 돌아오면서 그 차이만큼의 에너지를 방출하는데 그중 일부는 엑스선입니다. 원소마다 전자껍질 간의 에너지 차이가 제각기 다르므로 원소 특유의 X-선이 방출되며 그것을 2차 X-선이라고 합니다.

 

 결국, 모즐리는 X-선 방출 실험을 통하여 핵의 전하량을 측정한 것입니다. 이는 핵의 양성자수를 측정한 것이기도 합니다.