화학분석기사 필기 1과목 화학의 이해 원자모형의 역사

원자모형의 역사

돌턴의 원자 모형

1. 이론적 배경
- 돌턴의 원자설을 바탕으로 원자 모형을 발표하였습니다.
- 딱딱한 공 모양의 원자 모형을 제시하였습니다.

2. 돌턴의 원자설
- 모든 물질은 더 이상 쪼개거나 분해할 수 없는 원자로 구성되어 있습니다.
- 같은 종류의 원자는 크기와 질량이 같으며 다른 종류의 원자는 크기와 질량이 서로 다릅니다.
- 화학 반응이 일어날 때, 단지 원자들 간의 결합이 생성되거나 끊어지면서 원자가 재배열될 뿐입니다. 원자가 생성되거나 소멸되지 않습니다.
- 화합물은 서로 다른 종류의 원자가 일정한 정수비로 결합하여 생성됩니다.

3. 특징
- 질량보존의 법칙과 일정성분비의 법칙을 설명할 수 있습니다.
질량보존의 법칙 : 화학반응이 일어날 때, 반응 전과 후의 물질의 총 질량은 일정합니다.
일정성분비의 법칙 : 화학반응이 일어날 때, 각 물질은 일정한 일율로 반응합니다.
- 기체반응의 법칙을 설명하는데 한계를 보입니다.
- 돌턴의 원자설 수정
1) 원자도 특수한 방법을 사용하면 더 작은 알갱이로 쪼갤 수 있다. 실제로 원자를 양성자, 중성자, 전자로 나누어 구별할 수 있습니다.
2) 같은 종류의 원자라도 서로 질량이 다른 동위원소가 존재했습니다.

 

 

 

톰슨의 음극선 실험

1. 이론적 배경
- 진공 방전관을 사용하여 음극선의 흐름이 전자의 흐름이라는 것을 발견하였습니다.
- 원자 속에 (-)전하를 띤 전자가 들어있다고 주장하였습니다.
- 전자를 설명할 수 있는 원자 모형을 제시하였습니다.

2. 푸딩 모형
: 전체적으로 (+)전하를 띠는 구 모형 속에 (+) 전하와 같은 전하량의 (-) 전하를 띠는 전자가 중간중간 박혀 있는 모양의 원자모형입니다.

3. 한계
- 러더퍼드의 a(알파) 입자 산란실험 결과에 대한 설명이 불가능합니다.

 

러더퍼드의 알파입자 산란실험

1. 정의 : 원자의 양전하가 원자의 중심에 모여 있고, 원자 질랴의 대부분을 차지하고 있다는 것을 밝힌 실험입니다.

2. 가정 : 원자 내의 양전하들은 전체 부피 내에 고르게 퍼져 있으며, 전자들은 전하의구 내에서 고정적으로 한 자리에서 진동하고 있다고 가정했습니다.

3. 실험 과정 : 강력한 에너지를 갖는 알바입자(=헬룸 원자핵)를 얇은 금작조각에 충돌시켜 알파 입자들이 금박조각을 통과하면서 휘어지는 양을 측정하였습니다.

4. 실험결과
- 대부분의 알파 입자가 금박을 그대로 투과했습니다. 이를 통해 원자의 대부분의 공간은 빈 공간임을 밝혔습니다.
- 소수의 알파입자는 산란하므로 원자의 중심부에 양전하를 띠는 원자핵이 있을 것이라고 유추했습니다.

 

 

러더퍼드의 원자 모형

1. 이론적 배경 : 알파입자 산란실험을 통해 원자핵의 존재를 발견하였습니다.

2. 태양계 모형
- 원자의 중심에는 (+) 전하를 띄는 작은 원자핵이 존재하고, 그 주위에는 (-) 전하를 띄는 전자들이 돌고 있어서 전자는 전체적으로 중성을 나타냅니다.
- 원자핵과 전자의 정전기적 인력을 극복하기 위해서 전자가 원자핵 주위를 돌면서 원심력과 정적기적 인력이 평형을 이루고 있습니다.

3. 특징
- 원자핵이 질량은 매우 크지만, 크기는 매우 작다는 것을 발견하였습니다.
- 서로 다른 원자는 원자핵의 전하가 다른다는 것을 발견했습니다.
- 원자의 안정성은 설명이 불가능했습니다.
- 수소 원자의 선 스펙트럼이 나타나는 이유에 대해서 설명이 불가능했습니다.
- 러더퍼드는 양성자를 발견한 것이 아니라, 원자핵의 존재를 발힌 실험이었습니다.

 

 

 

보어의 원자모형

1. 가정
- 수소 원자는 핵과 그 주위를 원운동하는 한 개의 전자로 이루어져 있습니다.
- 전자는 정해진 에너지 상태에서만 존재합니다.
- 허용된 원퀘도를 도는 전자는 에너지를 방출 또는 흡수하지 않습니다.
- 전자가 궤도를 이동할 때는 두 궤도 사이의 에너지 차이만큼의 에너지를 흡수 또는 방출합니다.

2. 전자껍질
- 원자핵 주위의 전자는 원자핵 주위에 무질서하게 존재하는 것이 아니라 특정한 에너지를 가진 몇 개의 원 모양의 궤도인 전자껍질을 따라 빠르게 회전합니다.
- 주양자수 n에 따라 원자핵에서 가까운 순서부터
K 전자껍질 n=1
L 전자껍질 n=2
M 전자껍질 n=3
N 전자껍질 n=4

3. 수소 원자의 에너지 준위
En = - (1312)/(n^2) kJ/mol (n = 주양자수)
- 전자껍질의 에너지는 주양자수가 커질수록 증가합니다.
- 전자껍질의 에너지 : K < L < M < N < O
- 인접한 두 전자껍질 사이의 간격은 주양자수가 커질수록 좁아집니다.
- 수소 원자의 에너지 준위가 불연속적이므로 스펙트럼이 불연속으로 나타납니다.

4. 한계
- 전자가 2개 이상인 원자에 대해 적용하기 어렵습니다.
이는 이 모델은 수소나 일전자원자에만 적용됨을 말합니다.
- 화학결합을 정량적으로 설명하기 어렵습니다.

 

수소 원자의 선 스펙트럼

 

 : 에너지와 파장은 반비례 관계입니다. 에너지차이가 크게 발생하면 파장의 차이는 작게 발생합니다.

 수소 원자의 선 스펙트럼과 관련된 문제는 에너지와 파장에 대하여 묻는 문항이 많습니다. 에너지와 파장의 관계를 알아두는 것이 중요합니다.

1. 라이먼 계열
 - 자외선 영역에서 관찰됩니다.
 - 전자가 주양자수 2 이상인 전자껍질에서 n = 1인 K 전자껍질로 전이할 때 방출되는 스펙트럼입니다.

 - 아래 그림은 각 계열에서 전이되는 파장을 측정하는 식입니다.

 라이먼 계열은 2이상의 전자껍질에서 주양자수가 1인 전자껍질로 전자가 전이되면서 에너지가 방출됩니다.. 에너지가 방출되면서 발생하는 빛의 파장을 구하는 식입니다.

 라이먼 계열, 발머계열, 파셴계열 별로 파장을 구하는 식이 조금 다릅니다.

 

2. 발머 계열

 - 가시광선 영역에서 관찰됩니다.

 - 전자가 주양자수 3 이상인 전자껍질에서 n = 2인 L 전자껍질로 전이할 때 방출되는 선 스펙트럼입니다.

 - 발머계열로 전이할 때 방출되는 선의 파장을 구하는 식은 위에 사진에서 확인 가능합니다.

 

3, 파셴계열

 - 적외선 영역에서 관찰됩니다.

 - 전자가 주양자수 4 이상인 전자껍질에서 n = 3인 M 전자껍질로 전이할 때 방출됩니다.

 

 

 

 

현대 원자 모형(전자구름 모형)

 

1. 오비탈

 - 원자 내 전자는 특정한 궤도를 원운동하는 것이 아닙니다.

 - 전자의 위치와 속도를 정확히 알 수 없고, 특정 위치에서 전자가 발견될 확률만 알 수 있습니다.

 - 오비탈(궤도함수) : 전자가 존재하는 확률을 나타낸 함수로, 전자를 발견할 확률이 높은 공간을 나타내는 모형입니다.

 - 오비탈에서 전자가 발견될 확률은 90~95%를 차지합니다.

 

2. 오비탈의 종류

 1) s 오비탈

 - 모든 전자껍질마다 1개의 s 오비탈이 존재합니다.

 - 구형 모양의 오비탈로, 방향성이 없습니다.

 - 방향성이 없으므로 모든 방향에서 전자가 발견될 확률이 동일합니다.

 - 주양자수 n이 커질수록 크기가 커지고, 에너지가 높아집니다.

 - 2s 오비탈부터 전자가 존재할 확률이 0인 마디가 존재합니다.

 2) p 오비탈

 - 주양자수 n = 2인 껍질부터 p오비탈이 존재합니다.

 - 아령모양이고 방향성이 있습니다.

 - 모양은 같지만 방향이 다른 3개의 p 오비탈인 x, y, z 오비탈이 존재합니다.

 - s오비탈과 같이 모든 방향에서 전자가 발견될 확률은 같지 않습니다. 아령모양을 따라서만 전자가 존재할 수 있습니다.

3) d 오비탈

 : 주양자수 n=3인 껍질부터 5개씩 존재합니다.

4) f 오비탈

 : 주양자수 n=4인 껍질부터 7개씩 존재합니다.