제1장 화학의 기본개념

[류명한]

제1장 화학의 기본개념

1) 주기율표 보는 법(The Periodic Table of The Elements)

   원자번호=양성자수    중성원자 : 원자번호=양성자수=전자수

   원자량은 그 원자가 6.0221×10²³개의 질량합

   원자량 = 양성자질량+중성자질량+전자질량

   6.0221×10²³개=1 mole =Avogadro상수(常數) = 6.0221×10²³/mol

   전자질량= 9.1094×10^-28g = 9.1094×10^-24kg

   양성자질량=1.6726485×10^-24g = 1.6726485×10^-27kg

   중성자질량=1.6749543×10^-24g  =1.6749543×10^-27kg

   예) 수소 원자량 계산

        원자량=6.0221×10²³ ×[1.6726485×10^-24g + 9.1094×10^-28g]

              =1.007285653g →1.01g

        He 원자량=(양성자2개+중성자2개+전자2개)×6.0221×10²³

              =2(1.6726485×10^-24g+1.6749543×10^-24g+9.1094×10^-28g )

               ×6.0221×10²³

              =4.033016919 → 4.03g

     ²³⁵U원자량 =235g  양=92 중성자=143 전자=92

     ²³⁸U원자량 =238.029g  양=92 중성자=146 전자=92

     ↳동위원소=양성자수는 같고, 중성자수 다른 원소

2) 물질(matter) : 질량(mass)을 가지며, 공간을 점유한다.

     물질의 변화= a) 물리적 변화(physical change)

                  b) 화학적 변화(chemical change)

     물질- ⑴ 순물질(pure substance)= 원소(element), 화합물(compound)

           ⑵ 혼합물(mixture) : 균일혼합물(homogeneous mixture)

                              불균일 혼합물(heterogeneous mixture)

3) 에너지 : 일을 할 수 있는 능력

        ① 에너지는 변환된다. 화학에너지, 전기··.열··,기계적··,빛··.

            ↳ ∆E = △mC²    △m=질량변화량 C=광속(2.9979×10⁸ m/sec)

        ② 에너지보존법칙(law of conservation of energy)

            ↳ 처음 상태의 에너지총합 = 나중상태의 에너지총합

        ③ 에너지변화량=운동에너지+위치에너지 → ∆E=E_k +E_h

                  E_k = 0.5mv²     E_h = mgh

4) 화학반응에서 질량은 보존된다.

   질량보존법칙(law of conservation of mass):

    ↳ 반응前(전)물질 전체의 질량 =반응 후(後)물질 전체의 질량

1.1. 측정과 유효숫자(significant figures)

     측정: 어떤 물리량을 표준양과 비교하는 것.

   ① 정확도 : 참값에 접근하는 정도

   ② 정밀도 : 양을 반복해서 測定時 측정값이 얼마나 비슷한지의 정도.

             = 반복측정값의 평균값이 참값에 근접할 확률

   ③ 유효자리 : 측정의 정확성을 반영하는 각 자리.

            10,100, 1000, 2340000, 0.1,  0.001,  0.111, 2.8 , 2.80 2.808

            4000=4?  5000= 5×10³, 2005, 2.005

     󰋼온도=17.55→17.6  17.65→17.6

     󰋼부피= 1㎥=10⁶㎤=10⁹㎣, 1㎥=10³㎘=10⁶ℓ=10⁷㎗=10⁹㎖=10¹²㎕,   1L=10³㎣=10³㏄

     󰋼길이=1㎞=10³m=10⁵㎝=10⁶㎜

     ℃=(5/9)(℉-32)     ℉=1.8℃+32   K=273.15+℃ 

       ex) 21.5℃ → 273.15+21.5=294.65k →294.6k

1.2. 유효숫자가 포함된 계산법

    ① 덧셈, 뺄셈 - 계산 결과를 정밀도가 가장 낮은 유효숫자 기준

    ② 곱셈, 나눗셈 -계산결과를 유효숫자가 가장 적은 자릿수에 맞춤

    ③ 반올림

          . 버릴자릿수가 5보다 작으면--버린다 예) 0.1043- 0.10

          . 버릴자릿수가 5보다 크거나, 5이고 뒷자리수가 0이 아니면=반올림

               0.365019(소수점셋째자리반올림)-0.37, 0.2587--- 0.26

          . 버릴자릿수가 5이거나, 5뒤에 0또는00~인 경우-- 5앞수가 짝수면 그대로, 홀수면 반올림해서              짝수로 만든다

              예) 0.365--0.36,     0.37500---0.38

  ex) 유효숫자는?

     1.611g(4)  1.60g(3)  0.001611g(4)

   X=128.5+2116.44-2244.47→128.5 +2116.4-2244.4=0.5

   Y=0.004010×2.0000×50054→401.43308=401.4

   Z=(12.6+0.3+256.5)÷1003.7→(269.4)÷1003.7→0.268406894→0.2684

   W=12.20-√1.60+4(0.36)   → 12.20-(√3.04)→12.20-1.7→10.5÷1.3409

            1.3409                         →7.8305

   ex) 유효숫자 갯수에 따라 반올림하시오

   132.505g(유호숫자4) →132.5g

   298.693㎝(유호숫자5)→298.69㎝

   13.452Ib(유호숫자2)→13Ib

   345oz(유호숫자2)→3.4×10² oz    풀이) 5이고.앞수=짝수, 따라서 4가 된다

   <data처리방법>

   1.2345  --1.23                 1.2567 ---1.26

   1.24   ---1.24

   1.84568 --부적합 , 버림        1.3456--- 1.35

   1.2550--  1.26

   1.265 --- 1.26                 (6개전체합)÷6=평균값

1.3 SI단위(국제단위 International System of Units  SI)

          MKS단위, cgs단위

1.4 SI접두사

    환산인자(conversion factor)

              100㎝/1m,  10㎗/1ℓ,  1000㎎/1g,  1000g/1㎏,

                 얻으려는값 = 주어진값 × 환산인자

                예)  1.67m×100㎝/1m=167㎝  

1.5 측정단위

   ⓐ 길이=meter (m):1m=진공속에서 빛이 1/299792458초 동안 움직인 거리

      km. m. cm. mm. ㎛(micrometer). ㎚(nanometer). pm(picometer). fm(femcometer)

   ⓑ 질량과 무게

      󰋼질량= mass   1g=4℃의물 1㎤(1㏄)의 질량

      󰋼무게: 1g의 질량이 지구중력장속에서 (중력가속도9.8m/sec²)힘의 크기

             1gf=0.001kg×9.8m/sec²=0.0098N

             1kgf= 1kg × 9.8m/sec²=9.8N ( 1N=1kg・m/sec²)

      󰋼밀도=질량/부피(g/㎤)

      󰋼비중=임의물질밀도/기준물질의밀도 (단위x)

             고체, 액체에 대한 기준밀도=물의밀도(25℃에서0.997(g/㎤))

             Fe의 비중=7.8  Fe의 밀도=7.8g/㎤

   ⓒ 온도와 열

      󰋼온도 정의 :  ℉=1.8℃+32   ℃=(5/9)(℉-32)    K=273.15+℃ 

      󰋼열SI단위=joule(J)     1cal=4.184J

      󰋼비열(specific heat)=일정한 압력조건에서 1g의 물질을 1℃(1K) 올리는데 필요한 열량

                          비열의 단위=J/g․℃,  cal/g․℃

        ※모든 물질은 고유한 비열값을 갖는다(물=4.184J/g․℃, Cu=0.39J/g․℃

                                            Al=0.88J/g․℃)

        ※가열에 필요한 열량계산법

                필요한 열량=비열×질량×온도변화량

                       △H = cm△t

   ⓓ 열용량(heat capacity) : 물질을 1℃올리는데 필요한 열량

                      열용량=비열×질량(J/g․℃×g)

                       H = cm  -- 질량이 증가할수록 열용량 증가한다.

제 2장  원자에 관한 이론과 화학식

2.1 원소기호와 화학식, Dalton의 원자설

  원소기호: 첫자는 알파벳의 대문자, 2nd문자는 소문자 H, He, Li ,B, Ne, Co

  화합물= 대문자+상대적비를 아래첨자로표시   CO,  CO₂, H₂O

  Dalton의 원자설: 1803년 (영국) 화학자 John Dalton 발표

      1.물질은 더 이상 나눌 수 없는 원자들로 구성되어 있다.

2.한 원소의 원자들은 질량과 성질이 모두 같고, 원소가 다르면

   원자들은 질량과  성질에 있어서 다르다.

3.원자들은 파괴될 수 없으며 화학반응 중에도 보존된다.

4.화합물은 서로 다른 원소들이 작은 정수비로 결합하여 생성된다.

※① 질량보존의 법칙(law of mass conservation)

   -반응前(전)물질 전체의 질량 =반응 후(後)물질 전체의 질량

        C   +    1/2 O₂   → CO,      C  + O₂   →  CO₂

       12g     0.5×16×2=16g  28g,     12g   32g      44g

※②일정성분비의 법칙(law of definite propertion)

   화합물은 2종류이상의 원소의 원자가 간단한 정수비로 결합되고

   각 원소의 원자는 일정한 질량을 가자고 있으므로,  한 화합물을 이루는

   구성 원소들 간의 질량비는  구성 성분들 간에  일정한 정수비 가 성립된다.

      C   +    1/2 O₂   → CO,      C  + O₂   →  CO₂

     1 몰   :     0.5몰   =   1몰      1몰:  1몰   =  1몰

     12g          16g                 12g   32g

     CO( 일산화탄소)에서 C:O= 12g: 16g 즉 3:4이고

     CO₂(이산화탄소)에서 C:O= 12g: 32g 즉 3:8이다.

※③배수비례의 법칙 (law of multiple proportion) =질량비가 간단한정수비   - 두 원소가 결합하여 두가지 이상의 화합물을 생성할 때, 한 원소의 일정 질량과 결합하는 다른 원소의 질량들 간에는 가장 작은 정수들의 비로 주어진다.

        C    O

CO    12g   16g    일산화탄소의 O질량: 이산화탄소의 O질량= 16g :32g=1:2

CO₂   12g    32g

2.2 원자의 질량(원자질량단위 atomic mass unit, amu)

¹²C = 탄소원자가 6.022×1023개의 질량을 12amu 로 정의

        역) 1 amu = 정확히  ¹²C원자 1개의 질량의 1/12배의 질량

   모든 원소의 질량은  ¹²C의 질량의 상대적인 질량값이다.

   ¹²C의 원자량= ¹²C의 1몰의 질량=12g 정함

  질량분석기= 상대적 질량값 측정 장치

   동위원소: 질량이 다른 같은 원소.    ¹²C(98.98%) ¹³C(1.11%) ¹⁴C(0.01%)

   원자량 =이들 동위원소의 존재비율의 평균값

2.3 분자량과 화학식량

  분자=원자들이 화학결합을 이룬 입자(particle)

①분자량=분자를 이룬 원자들의 원자량의 합

         메탄(CH4)의 분자량 = [1개탄소원자량 +(4 ×수소원자량)]

                             =12.01amu + (4×1.008amu)

                             =16.04amu

         분자식=H₂O, NH₃, 메탄(CH₄)       

         구조식= 결합모양으로 나타냄    H- O -H

    예) 에틸알콜= CH₃CH₂OH = C₂H₅OH   =    C₂H₆O

                   구조식      축소구조식     분자식

        메틸알콜 = CH₃OH                  =   CH₄O

②화학식량: 그 물질에  화학식에 포함된 원자들의 원자량의 합.

    이온결합화합물, 공유결합 화합물

    염화나트륨: NaCl=(나트륨원자량+ 염소원자량)

                 = (12.99 amu + 35.45 amu)

                 = 48.44 amu

2.4 몰과 몰질량

  󰋼1몰(mole)=12g의 ¹²C중에 들어있는 탄소원자수

            =6.0221×10²³개 = Avogadro 수(N_A)

    원자 1몰= 6.0221×10²³개 원자     분자 1몰= 6.0221×10²³개  분자

    이온 1몰= 6.0221×10²³개  이온    전자 1몰= 6.0221×10²³개  전자

 󰋼몰질량: mol 정의에 의해 원자량이 12.00 amu인 탄소원자 1mol의 질량은 12.00g이다.(g/mol)

       탄소(12.00 amu) 1mol의 질량 = 12.00g

       수소(1.00 amu)  1mol의 질량 = 1.00g

       질소(14.00 amu) 1mol의 질량 = 14.00g

       산소(16.00 amu) 1mol의 질량 = 16.00g

에탄올(C₂H₅OH )의 몰질량=(24+6+16=46.1)

         에탄올 분자량 46.1 amu를 46.1g/mol로 바꾼다.

예제>  CaCO₃(탄산칼슘) 1mol의 화학식량?

          (40.078+12.00+3×15.994=100.09 amu⇒100.09 g/mol) 

2.5 몰계산

     몰질량= 질량/몰수    ⇒   몰수= 질량/몰질량

예제2.4. 에탄올 10.0g 의 몰수는?

    10.0g C₂H₅OH × ( 1mol C₂H₅OH/ 46.1g C₂H₅OH)= 0.217 mol C₂H₅OH

예제 2.5. 알루미늄 10.0g 에 는 원자의 몰수, 원자의 개수를 계산?

   풀이) 알루미늄 몰질량=26.98g /mol이다

      10.0g  ×1 mol/26.98g =0.371 mol

      0.371 mol에는 몇 개원자?

      0.371 mol × 6.022×10²³/1 mol= 2.23×10²³개

예제2.6. Cobalt(코발트)원자 5.00×10²³개가 들어 있는 시료에서 코발트원자의 몰수와 질량계산?

    5.00×10²³ 개 × 1mol/ 6.022×10²³개= 0.831 mol

    Co의 몰질량=58.03 g/mol 이므로

    0.831mol×58.03 g/ 1mol =48.2 g

2.6 화합물의 퍼센트 조성

    화학식이 C₂H₅OH 인 에탄올 1mol은

    C의 질량= 2 mol × 12.01 g/mol= 24.02 g

    H의 질량= 6 mol × 1.01 g/mol  = 6.06 g

    O의 질량= 1 mol ×  16.00 g/mol = 16.00 g

    C₂H₅OH  1 mol 의 질량= 46.08 g 이다.

 질량%= 화합물 1mol의 질량을 전체질량으로 삼고, 각 성분원소들의 질량

         백분률을 구한 것이다.

       = 화합물 1 mol 중의  성분원소의 질량 ×100

                 화합물 1mol 의 질량

 따라서 에탄올 각 성분원소의 질량%는

       C의 질량 % = (24.02g /46.08g)×100 = 52.13%

       H의 질량 % = (6.06g / 46.08g)×100 = 13.15%

       O의 질량 % = (16.00g / 46.08g)× 100 = 34.72%

       O의 질량 % = 100%-(C의 질량 %+H의 질량 % )

                   = 100%-(52.13%+13.15%)=34.72%

2.7 화학식의 결정

㉮실험식(empirical formular) : ①1mol 의 화합물에 포함된 모든 원자들의  몰수를 간단한 정수비로 나타낸 식 

                   예) 벤젠 C₆H₆⇒CH

          ②이온결합을 나타내는데 사용

          ③화합물 % 조성을 알면 실험식결정

            ⓐ원소의 퍼센트(%) 조성으로부터 실험식 결정 방법

               1-1)각 원소의 주어진 질량%(%단위)를 시료 100g 중에

                  들어 있는 질량(g 단위)이라고 가정한다.

               1-2)각 원소의 주어진 질량으로부터 몰수계산.

               1-3)각 원소의 몰수를 가장 작은 원소의 몰수로 나눔

               1-4) 각 원소의 몰수비를 가장 간단한 정수비로 바꾼다.

 예제2.9. 43.64%의 P과 56.36%의 O에 대한 실험식 구하라?

   (풀이) 43.64g P × 1mol의 P/30.97g 의 P =1.409 mol의 P

           56.36g O× 1 mol 의 O/16.00g 의 O=3.52 mol의 O

         각각을 가장 작은 원소의 몰수로 나누면

         P  :  1.409 mol /1.409 mol =1.000

         O  :  3.52 mol / 1.409 mol = 2.500

         가장 간단한 정수비를 만들려면 2를 곱한다

          P=2, O=5  따라서 P₂O₅가 된다

㉯분자식(molecular formular) : 공유결합을 나타내는데 사용( C₆H₆ )

       분자식= n× 실험식

       분자량= n× 실험식량      역) n=분자량/실험식량

 예제2.11.

       앞의 예제2.9에서화합물의 분자량이 283.88 g 이다. 분자식은?

    P₂O₅의 실험식량은 

      (2mol P ×30.97g/ 1mol P) +(5 mol O×16.00g/1 mol O)=141.94g

     n=분자량/실험식량

         = 283.88g/141.94g= 2   따라서 분자식은 2(P₂O₅)가 된다. 즉 P₄O₁₀이다.

별도문제.2)  연소분석으로 실험식 구하기

 C, H, O 만으로 구성된 어떤 화합물 1.621g에 대해 연소 분석을 하여 생성된

 물과 이산화탄소의 질량이 각각 1.902g과 3.095g이었다. 이 화합물의 실험식을 구하라.

              (C, H, O) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(g)

        CO₂ 중의 C의 몰수 =

        시료 중 탄소의 질량 = 0.07032 mol × 12.01 g/mol = 0.8446g

        H₂O중의 H의 몰수=

        시료 중 수소의 질량 = 0.2111 mol × 1.079 g/mol = 0.2278 g

    ∴ 시료 중 산소의 질량 = 1.621g - (0.8446g + 0.2278g) = 0.549g

         산소의 몰수 =

       시료 중 각 원자의 상대적 몰수의 비

       C : H : O = 0.07032 : 0.02111 : 0.0343 = 2.05 : 6.15 : 1.00

        ∴ 실험식 = C₂H₆O

제3장 화학반응식과 화학양론

3.1 화학반응식

     화학반응 : 화학변화는 화학반응으로 나타나고, 화학반응은 원자들간의 결합이 끊어지거나 새로운                 결합이 생기는과정.

         2 Na  +  Cl₂ → 2 NaCl

           반응물          생성물   ※반응물의 질량과 생성물의 질량은 같다.

      계수: 2몰 1몰 2몰

         2 Na_(s) +  Cl_2(g) → 2 NaCl_(s)        (합성반응)

          NaOH_(aq) + HCl_(aq)    →   NaCl_(aq) + H2O_(ℓ) →_△ NaCl_(s)

(g)=gas(기체),(ℓ)=liquid(액체),(s) = solid(고체),(aq)=aqueous(수용액)

  △ =가열

      2NaNO₃(s) →  2NaNO₂(s)   +  O₂(g)  (분해반응)

    2몰 잘산나트륨   2몰 아질산나트륨   1몰산소

3.2 화학반응식의 완결(질량보존=원자 갯수일치=계수조정)

       CH₄(g)   +   O₂(g)   →△ CO₂(g)  + H₂O(g)

           반응물                      생성물

계수비교① C의 계수비교   1

         ② H 계수비교    4

         ③ O 계수비교    2

★ 반응물들이나  생성물 중에서 한개 물질에만 있는 원소의 계수를 먼저 조정한다.예제3.1.

3.3. 화학양론: 화학반응을 질량으로 표시하는 학문

harber 공정 : [암모니아(NH3)합성]

     N₂(g)   +  3 H₂(g)   →△  2 NH₃(g)

N₂(g) : 1몰질량 28.0 g/mol

 H₂(g) : 1몰질량 2,02 g/mol

 NH₃(g) : 1몰질량 (14+3=17.0 g/mol)

☞ 28.0 g/mol N₂(g) 와 2,02 g/mol H₂(g) 의3배 가 반응하여

17.0 g/mol  NH₃(g) 의2배가 생성된다.

3.4 화학양론에서의 환산인자

      질량 → 몰수 → 화학반응식의 계수이용 → 몰수구하고 → 질량

ex)  N₂(g)   +  3 H₂(g)   →  2 NH₃(g)

     1mol N_{2  〓} 3 mol H₂   〓  2 NH₃    ☜ 설명

     907kg의 암모니아(=9.07×10⁵g NH₃)를 생산하기 위해 필요한 수소의 질량을

     구하라?

 (풀이) ☆ 3 mol H₂ 〓 2 NH₃ ☆

      9.07×10⁵g NH₃ × {1mol NH₃ /17.0g NH₃} ×{3mol H₂/ 2mol NH₃}×

      {2.02g H₂/ 1mol H₂} = 1.62×10⁵g H₂

■ 몰수 대 몰수 계산

  실제의 반응에서 반응물과 생성물의 몰수에 관한 계산

※ 화학반응에서 몰수 대 몰수 계산방법

 <기본 개념>

  (1) 화학반응 중 각 원소의 원자 수는 보존

  (2) 균형 잡힌(계수 맞춘) 화학반응식에서의 계수는 각 반응물과

      생성물의 상대적인 몰 수를 의미. 이 몰수가 환산인자를 구성

 <계산 요령>

  단계 1 대상반응에 대해 계수를 맞춘 반응식을 완성

  단계 2 두 물질간의 양론 관계식을 찾아 다음과 같이 몰 비를 표시

           (원하는 물질 : 주어진 물질)

  단계 3 이 환산인자를 주어진 자료에 적용하여 원하는 정보를 얻음.

(예) 0.25몰의 산소(O₂)와 반응하여 생기는 물(H₂O)의 양?

                2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)

                2분자    1분자    2분자

                 2몰      1몰      2몰

        (답)             0.25몰     0.5몰

(예)  반응물과 생성물의 몰수 계산

H₂와 반응하여 NH₃ 5몰을 만드는데 필요한 N₂ 의 몰수를 구하라.

        N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

        1몰      3몰      2몰   

        x몰               5몰           ∴ x = = 2.5몰

■ 질량 대 질량 계산

    반응물의 몰수와 생성물의 몰수를 관련시키는 방법으로부터 반응물의 질량에서

    생성물의 질량을 얻을 수 있다.

 ※ 질량 대 질량 계산법

 <기본개념>

   화학반응식에서 계수는 반응물과 생성물의 몰수를 알려 주는데

   몰 질량을 이용하여 필요한 물질의 몰수를 질량으로 바꿀 수 있다.

 단계 1 몰 질량을 이용하여 물질의 질량을 몰수로 바꾼다.

 단계 2 계수가 맞는 화학 반응식으로부터 한 물질의 몰수를 다른

        물질의 몰수로 환산한다.

 단계 3 두 번째 물질의 몰수로부터 몰 질량을 사용하여 질량으로

        환산한다.

(예) 다음 반응에서 산화철(III) 10.0 kg으로부터 얻을 수 있는 철의 질량 계산

     Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g)

    산화철(Fe₂O₃)의 몰 질량 = 55.85×2 + 16.0×3 = 159.7 g/mol

 ① 산화철(III) 10.0 kg의 몰수 = 10.0 kg × 62.6 mol

 ② 생성된 철의 몰수 = 62.6 × 2 = 125.2 mol

 ③ 생성된 철의 질량 = 125.2 mol × = 6.99 kg철

(예) 프로판 100g을 태웠을 때 생기는 이산화탄소의 질량?

화학반응식 :  C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(l)

 ① 프로판 100g의 몰수 = 100g ×

 ② CO₂(g) 의 몰수 = 2.27 mol × 3 = 6.81 mol

 ③ CO₂(g) 의 질량 = 6.81 mol ×

3.5 한계반응물(과잉반응물)

  화학반응에서 반응물이 화학반응식의 반응 몰 비율대로 존재하지 않을 때

적게 존재하는 반응물은 생성물의 최대 생산량을 제한하게 되며,

 이를 한계반응물이라 부른다.

즉 한 반응에서 한계반응물은 화학양론 관계식에서 필요한 양보다 적게 공급되는 물질이다.

과잉반응물: 반응이 끝난 후에도 남아 있는 물질

      2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)

      반응기속에  수소 1mol, ,산소1mol을 넣어서 반응시켜 물을 만들때,

      반응에 사용한  수소몰수, 산소몰수는       

   수소 ⇒   1mol      H₂ ×{2mol H₂O / 1mol H₂} = 1mol H₂O   ⇒한계반응물

   산소 ⇒   1mol O₂ ×{2mol H₂O / 1mol O₂} = 2mol H₂O   ⇒과잉반응물

(예) 다음 반응에서 일산화질소(NO) 15몰과 산소(O₂) 10몰이 존재한다고 가정하면 한계 반응물은?

                2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

                15몰     10몰           

산소 1몰과 반응할 수 있는 일산화질소는 2몰이다. 따라서 산소 10몰과 반응하기 위한 일산화질소(NO)의 양은 20몰이다. 그런데 일산화질소는 15몰만 존재하기 때문에 반응생성물의 생산을 제한하는 한계반응물이 된다.

        ∴ 한계반응물 = 일산화질소(NO)

이때 산소는 과량으로 존재한다고 말한다.(과잉반응물)

3.6.퍼센트 수득률

    퍼센트 수득률 = {실제수득률 ÷이론수득률}× 100

별도문제.1) 알칼리금속은 물과 반응, 수소기체와 그 금속수산화물을 생성한다.

                        2 Li(s) + 2 H₂O ---> 2 LiOH(aq) + H₂(g)

                a. 6.23 몰의 Li와 물이 반응하면 몇 몰의 수소가 생성 ?

                b. 80.57g의 Li 과 물이 반응하면 몇 g의 수소가 생성 ?

        해)     a. Li 2 몰 당 수소 1몰 생성

                    생성 수소의 몰수= 6.23mole x 1mole H₂/2mole Li = 3.12 mole

                 b. Li mol 수 = 80.57g Li ÷ 6.94g Li/1 mol Li = 11.61 mol Li

                                11.61 mol Li x (1mol H₂/ 2mol Li) = 5.805 mol H₂

                                5.805 mol H₂ x (2.016g H₂/1mol H₂) = 11.70g H₂

☞1 반응물과 생성물의 양 (화학식에서 화학량론적 계수는 각 물질의 몰수를 표시)

   을 몰수표시법

        ① 반응식을 쓰고 계수의 균형을 맞춤

          (i) 반응물이나 생성물 중 한 물질의 계수를 1이라고 가정. (제일

            복잡한 물질을 선택하는 것이 유리)

          (ii) 한 화합물에만 들어있는 원소를 택하여 몰 수 결정

          (iii) 나머지 물질의 계수 결정

          (iv) 계수 중 분수가 있으면 정수를 곱해서 계수를 정수로

        ② 주어진 물질의 양을 모두 몰로 고침

                

        ③ 계수를 이용하여 구하고자 하는 물질의 몰수를 계산

        ④ 계산된 몰수와 분자량을 사용하여 원하는 단위로 변환

별도 문제.2)  연소분석으로 실험식 구하기

 C, H, O 만으로 구성된 어떤 화합물 1.621g에 대해 연소 분석을 하여 생성된

 물과 이산화탄소의 질량이 각각 1.902g과 3.095g이었다. 이 화합물의 실험식을 구하라.

              (C, H, O) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(g)

        C의 몰수 =

        시료 중 탄소의 질량 = 0.07032 mol × 12.01 g/mol = 0.8446g

        H₂O중의 H의 몰수 =

        시료 중 수소의 질량 = 0.2111 mol × 1.079 g/mol = 0.2278 g

    ∴ 시료 중 산소의 질량 = 1.621g - (0.8446g + 0.2278g) = 0.549g

         산소의 몰수 =

       시료 중 각 원자의 상대적 몰수의 비

       C : H : O = 0.07032 : 0.02111 : 0.0343 = 2.05 : 6.15 : 1.00

    ∴ 실험식 = C₂H₆O

제4장 원자의 구조와 화학적 주기성

4.1 원자성 입자들의 발견

입  자	발견자(년도)	기호	질  량	상대질량	전  하(C)	상대전하
전자 electron	Thomson(1897)	e-	9.109534×10-28g	0.00055	-1.60×10-19	-1
			5.485802×10-4amu
양성자 proton	Rutherford(1910)	P+	1.6726485×10-24g	1.00728	+1.60×10-19	+1
			1.0072764amu
중성자 neutron	Chadwick	n	1.6749543×10-24g	1.00867	0	0
			1.0086650amu
중간자		π

   

  nucleus=핵

 질량수= 양성자수+중성자수

 n^mX^a± m=잘량수  n=원자번호 a=전하

 원자번호= 양성자수

 동위원소(isotope)= 양성자수는 같으나, 중성자수가 달라서 원소의 질량이 다른 원소

                예) 수소, 중수소, 삼중수소,   ²³⁵U, ²³⁸U

          ²³⁵₉₂ U= 양성자: 92개, 중성자: 143개, 전자: 235개, 질량: 235

          ³⁵₁₇ Cl=  양성자: 17개, 중성자: 18개, 전자: 18개, 질량: 35

          ⁵⁶₂₆ Fe²⁺: 양성자: 26개, 중성자: 30개, 전자: 24개, 질량: 56

          이온의 전하 = 양성자수 - 전자수

전자의 성질: (-)로 하전되고, 원자의 대부분의 부피를 이루고, 질량은 거의 없고,

           원소의 화학적 성질을 좌우하고, 고온가열시 일정파장의 빛을 방출한다

4.2 전자기 복사선(electromagnetic radiation)

• 전자기 복사선의 성질

    전자기 복사선(electromagnetic radiation, 보통 광파)

    파동의 진폭(amplitude)

    초당 주기의 수를 전자기 복사선의 진동수(frequency) =ν

    헤르쯔(Hz) 1Hz=1cycle s^-1 =c/s = 1s^-1

    파장(wavelength) =λ                     

• 진동수와 파장

   λ= C/ν (파장=광속/진동수)  c=2.999792× 10⁸ m/sec

   파수(wave number) = νbar=1/λ = ν/c

• 광자(photon)의양자화 =전자기복사선의 에너지

       Max Planck(1858-1947): 독일의 물리학자, 1900년 양자론의 가설

                   전자기 복사선이 에너지의 조그만 다발인 양자(quanta)

                   광자(photon): 빛의 다발

                   광자의 에너지: E = h ν = hc/λ

                                h = 6.62 x 10^-24 J․s

       h는 비례상수이며, Planck상수(Planck‘s constant)라고 한다.

4.2.1 수소원자 스펙트럼과 Bohr 모델

• 수소의 원자 스펙트럼

     Rydberg식(Rydberg equation): 1885년에 J.J.Balmer는 원자에서 방출되는 스펙트럼의 가시광선 영역에서     발견되는 선들의 파장을 계산할 수 있는 식을 발견하였다. 수소의 모든 스펙트럼선의 파장을 계산하는데     사용될 수 있었다.

  R_H는 상수(109,678㎝^-1)

• 원자 스펙트럼의 중요성

      원자의 전자는 단지 일정한 에너지만을 가질 수 있다는 것이다. 과학적 용어로, 전자가 어떤 에너지       준위(energy level)에 제한되어 있고, 전자의 에너지는 양자화(quantized) 되어 있다고 말한다.

• 수소 원자의 Bohr 모델

      Niels Bohr(1885-1962): 핵과 전자가 정전기적 인력

      Bohr가 양자수(quantum number)라고 명명한 정수 n도 포함된다.

   • Bohr이론의 성공은 Rydberg식에 대한 설명이 가능하다는 것이었다. 원자가 광자를 방출할 때 전자      는 초기의 더 높은 에너지 E_h로 최종의 더 낮은 에너지 E₁으로 떨어진다.

 여기서  n_h>n₁ 이다.

문제: 오로라(aurora)에서 붉은빛은 들뜬(excited, 에너지가 높은상태)산소원자

     에서  방출되는 630.0nm파장의 빛이다. (1)이 빛의 진동수?

     (2)들뜬 산소원자에서 방출되는 광자에너지(joule)?

     (3)이광자에너지의 1mole의 에너지?(kilo joule)

(풀이)(1) λ= 630.0 nm × [1m / 10⁹ nm ] = 6.300× 10^-7 m

           ν= C/λ = [2.9997× 10⁸ m/s]÷ [ 6.300× 10^-7 m ]

                       = 4.759× 10¹⁴ /s = 4.759× 10¹⁴ Hz

      (2) 광자의 에너지: E = h ν = hc/λ,  h = 6.62 x 10^-24 J․s

          E =hc/λ

           = ( 6.62 x 10^-24 J․s) (2.9997× 10⁸ m/s)/(6.300× 10^-7 m)

            = 3.513 x 10^-9 J

      (3) 1mole = 6.022×10²³개

         E =3.513 x10^-9J ×[1kJ/10³J]× [6.022×10²³ /1mole]=1.899×10¹²kJ

4.3 원자구조의 양자역학적 모형

• 파동의 성질

    마디(node): 현의 끝은 진폭이 0인 점인 위치

    정류파(standing wave): 마루와 마디사이에서 위치가 변하지 않는 파이다.

    반-파장이 정확하게 시간의 정수배로 반복되는 파만이 나타날 수 있다.

• 원자에서의 전자파

    전자의 운동: 원자내에서 전자의 운동은 정류파라고 가정

    파동함수(wave function): Erwin Schrodinger가 최초로 제시한 핵주위의 전자의

    운동을 나타낸 함수로 양자역학의 개념을 도입해서 설명했다. 이 이론에 의하면 원자 내에서 전자       파는 정류파이고, 전자의 운동은 현의 파형과 같은 모양이라고 가정.

    이들 각각의 파형을 궤도함수(orbital)라고 한다.

    유도된 파동방정식

                 [d²ψ/dx²]+[d²ψ/dy²]+[d²ψ/dz²]+{[8π²m/h²]×(E-V)ψ}=0                  

        ψ² = ψψ 이고, 전자가 핵주위의 한점에서 발견할수있는 확률을  의미하며,

        공액복소수성질을 가짐.  도함수(orbital)라함은 = 전자가 뱔견될 확률

예) 원자모형에서 원형궤도를 도는 상태에서 전자가 가질 에너지는

    E =-(2 π²m e⁴)/ (n²h²)= -13.6/n²(eV)

          K각 (n=1)일때 E= -13.6 eV            

              L각 (n=2)일때 E= -13.6/2² eV = -3.4eV  (2s-2p= ~10^-4eV)      

              M각 (n=3)일때 E= -13.6/ 3² eV = - 1.51 eV

              N각 (n=4)일때 E= -13.6/ 4² eV = - 0.85 eV        

              O각 (n=5)일때 E= -13.6/ 5² eV = - 0.54 eV

4.4 궤도함수와 양자수

(1) 주양자수(principal quantum number), n :

    궤도함수의 크기와 에너지관계  →  원자크기, 에너지준위의 크기

    양자수 n 값이 같은 궤도 함수는 모두 같은 껍질(shell)   ex)1s¹,1s^2,  ,2s¹,2s²

    n 값은 n =1,2,3,4,5,6,.......

     K각(n=1)= 1s궤도  L각(n=2)= 2s(1) 2p(3) 합4개 궤도

     M각(n=3)= 3s(1) 3p(3) 3d(10)        N각(N=4) = 4s 4p 4d 4f...

n 값	1	2	3	4	5	6	…
Shell 표시	K	L	M	N	O	P	…

  예) 원자모형에서 원형궤도를 도는 상태에서 전자가 가질 에너지는

        E =-(2 π²m e⁴)/ (n²h²)= -13.6/n²(eV)

              K각 (n=1)일때 E= -13.6 eV            

              L각 (n=2)일때 E= -13.6/2² eV = -3.4eV  (2s-2p= ~10^-4eV)      

              M각 (n=3)일때 E= -13.6/ 3² eV = - 1.51 eV

              N각 (n=4)일때 E= -13.6/ 4² eV = - 0.85 eV        

              O각 (n=5)일때 E= -13.6/ 5² eV = - 0.54 eV

(2) 부양자수(secondary quantum number), l =각운동량 양자수(전자의각운동량크기결정)

    부양자수, l 값은 껍질을 부껍질(subshell)이라고 하는 궤도 함수의 더 작은 그룹

     으로 나눈다. n 값은 허용되는 l 값을 결정한다.

    l 값은 l=0 에서 l = (n-1) 까지의 값을 갖는다.

l 값	0	1	2	3	4	5	…
문자 표시	s	p	d	f	g	h	…

     n=1 → l=0(s orbital), n=2 → l= 0,1(s,p궤도), n=3 → l=0,1,2,(s,p,d궤도)

     n=4 → l= 0,1,2,3,(s,p,d,f궤도)    n=5 → l=0,1,2,3,4(s,p,d,f,g궤도)   

(3) 자기 양자수,m_ℓ

    m_ℓ은 자기 양자수(magnetic quantum number)로 알려져 있다.

    m_ℓ의 허용 값에는 제한이 있는데, 이것은 - l 부터 + l 까지의 값을 가진다.

자기 양자수mℓ 은 부양자수 l값에 따라 0,±1,±2,±3값을 갖는다

	궤도함수( mℓ)수	mℓ(자기양자수)
l= 0(s)	1				0
l= 1(p)	3			-1	0	+1
l= 2(d)	5		-2	-1	0	+1	+2
l= 3(f)	7	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3

표 4.1> 양자수 n, l, m_ℓ 사이의 관계

󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏               m_ℓ                subshell   궤도함수의 수  전자수    총수                    n 값

󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏

1       0           0                   1s              1               2       2  (2)He

󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏

2       0           0                   2s              1               2       

        1       -1,  0,  +1             2p             3               6       8  (10)Ne

󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏

3       0           0                   3s              1               2

        1       -1,  0, +1              3p             3               6         (18)Ar  

        2    -2, -1, 0, +1, +2   3d             5               10      18  (28)

󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏

4       0           0                   4s              1               2         

        1        -1, 0, +1              4p             3               6         (36)Kr

        2    -2, -1, 0, +1, +2   4d             5               10

        3   -3,-2,-1, 0, +1,+2,+3 4f              7               14      32 

󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏󰠏  (54)Xe 

(4) 스핀양자수(spin quantum number, m_s, ±1/2)

   ① 전자가 운동하면서 자전을 하는데 ,시계방향과 반시계방향으로 한다.

   ②자기적 성질을 좌우한다. unpaired electron=상자성체(o)

                             paired electron=반자성체 ((x)

※ Pauli 배타원리(pauli exclusion principle)는

   같은 원자 내의 두 전자는 네 개의 양자수가(n, ℓ, m_ℓ, m_s)가 모두 같은 값을 가질

   수는 없다는 것이다.

표4.2> 양자수 n, ℓ, m_ℓ, m_s, 전자수, 원소의 관계

n	1	2		3			4
ℓ	0	0	1	0	1	2	0	1	2	3
부준위	1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p	4d	4f
mℓ	0	0	-1,0,+1	0	-1,0,+1	-2,-1,0,1,+2	0	-1,0,+1	????	????
궤도함수갯수	1	1	3	1	3	5	1	3	5	7
ms(전자스핀)	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2	±1/2
전자수	2	2	6	2	6	10	2	6	10	14
원소	He		Ne			Ar		Kr

îX_STYLE='font-family:"한양중고딕,한컴돋움";font-size:1

※ m_ℓ 의 각각의 orbital = 궤도?

4.5 다전자 원자의 전자배치(electron configuration)

    바닥상태(ground state) : 전자의 배치 중 가장 낮은 에너지준위에

                              해당하는 양자역학적 상태= 가장 안정한 상태

    들뜬상태(excited state) : 바닥상태보다 높은 에너지준위의 상태

  ■ 궤도함수의 에너지준위순서

     1s, 2s,2p,3s,3p,4s²,3d,4p,5s,4d,5p,6s,5d¹,4f²,

     -------------------→에너지 준위가 높은상태

■ 쌓음 원리(aufbau principle)

    가장 낮은 궤도함수에 하나씩 원하는 원소의 중성원자가 되도록 전자를 더한다.

                ₁H: 1s¹

       ₂He: 1s²   → [₂He]

        ₃Li: 1s² 2s¹  → [₂He]2s¹

        ₄Be: 1s² 2s²  → [₂He]2s²

        ₅B: 1s² 2s² 2p¹  → [₂He]2s² 2p¹

        ₆C: 1s² 2s² 2p² → [₂He]2s² 2p²

        ₇N: 1s² 2s² 2p³ → [₂He]2s² 2p³

        ₈O: 1s² 2s² 2p⁴ → [₂He]2s² 2p⁴

        ₉F: 1s² 2s² 2p⁵ → [₂He]2s² 2p⁵

      ₁₀Ne: 1s² 2s² 2p⁶    → [₁₀Ne]

      ₁₁Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹  → [₁₀Ne]3s¹

      ₁₂Mg: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² → [₁₀Ne]3s²

      ₁₃Al: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ →[₁₀Ne] 3s² 3p¹

      ₁₄Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² →[₁₀Ne] 3s² 3p²

   ₁₅P: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ →[₁₀Ne] 3s² 3p³

   ₁₆S: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ →[₁₀Ne] 3s² 3p⁴

   ₁₇Cl: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ →[₁₀Ne] 3s² 3p⁵

   ₁₈Ar: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ →[₁₈Ar]

   ₁₉K:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁰   →[₁₈Ar]4s¹

   ₂₀Ca:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁰ →[₁₈Ar]4s²

   ₂₁Sc:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ →[₁₈Ar]4s² 3d¹

   ₂₂Ti:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d² →[₁₈Ar]4s² 3d²

   ₂₃V:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³ →[₁₈Ar]4s² 3d³

   ₂₄Cr:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵ →[₁₈Ar]4s¹ 3d⁵

   ₂₅Mn:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵ →[₁₈Ar]4s² 3d⁵     

   ₂₆Fe:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ →[₁₈Ar]4s² 3d⁶

   ₂₇Co:1s² 2s²  2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁷→[₁₈Ar]4s² 3d⁷

   ₂₈Ni:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸ →[₁₈Ar]4s² 3d⁸

   ₂₉Cu:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰ →[₁₈Ar]4s¹3d¹⁰

   ₃₀Zn:1s² 2s² 2p¹ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ →[₁₈Ar]4s² 3d¹⁰

   ₃₁Ga:1s²2s²2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p¹ →[₁₈Ar] 4s²4p¹

   ₃₂Ge:1s²2s²2p⁶ s²3p⁶3d¹⁰4s²4p² →[₁₈Ar] 3d¹⁰4s²4p²

   ₃₆Kr: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ →[₃₆Kr]

   ₃₇Rb:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ 5s¹→[₃₆Kr]5s¹

■ 전자배치와 주기율표

■ 주기율표의 주기성

    외각전자(outer electron:바깥 껍질에 있는 전자): 화학반응에서 바깥껍질(outer shell:

    전자로 점유된 가장 큰 n 값을 갖는 껍질)에 있는  전자가 다른 원자의 외각전자와 상호작용 한다.

       내부전자(inner electron: 내부 껍질에 있는 전자):

       핵심부전자(core electron)라고 하며, 원자내부에 깊이 파묻혀 있고 화학결합이

       형성될 때 아무런 역할을 하지 않는다.

■ 간략한 전자배치

     ₁₁Na:  1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

      ₁₂Mg:  1s² 2s² 2p⁶ 3s²

    ₂₀Ca:  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁰

■ 원자가 껍질 전자 배치

       원자가전자(valence electron, 원자가 껍질에 있는 전자):최외각전자,

       화학적 성질 결정, 불활성기체의 전자배치보다 오른쪽에 있는 궤도함수에

        채워진 전자들

⑴불활성기체(inert gas,noble gas): p부껍질이 다 채워짐, 화학반응안함

₂He: 1s²   → [₂He]

₁₀Ne: 1s² 2s² 2p⁶    → [₁₀Ne]

₁₈Ar: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ →[₁₈Ar]

₃₆Kr: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ →[₃₆Kr]

₅₄Xe:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ 5s²4d¹⁰ 5p⁶ →[₅₄Xe]

⑵알칼리족(alkaline group, 1족) , 원자가전자= +1, 화학반응주요인자

          ₃Li: 1s² 2s¹  → [₂He]2s¹

         ₁₁Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹  → [₁₀Ne]3s¹

         ₁₉K:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁰   →[₁₈Ar]4s¹

          ₃₇Rb:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰4p⁶ 5s¹→[₃₆Kr]5s¹

(1) 물리적 성질

    ①은백색의 가볍고 연한 금속* Li, Na, K은 물에 뜨고 칼로 베어짐.

    ②원자번호大 ☞ ㉮ 원자 반경大

                    ㉯ m.p 및 b.p가 낮아짐

                       Li> Na> K> Rb> Cs> Fr 의순

  (2) 화학적 성질

(가)원자가 전자 = 1개 (ns¹)

       ㉮ +1가의 양이온 되기 쉽다.

       ㉯ 원자 번호大 ☞ 이온화 에너지 小 = 반응성 大

          ( 반응성의 크기;Li< Na< K< Rb<...의 순)

(나) 공기 중에서 쉽게 산화 ☞산화물 형성

                            * 4M + O₂ → 2M₂O(4Na +O₂→ 2Na₂O)

                   (다)물과 폭발적으로 반응 ☞ 수소발생

                     * 2M + 2H₂O → 2MOH + H_{2 (}2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂)

                   *Alkali 금속의 보관 ☞석유나 벤젠에 보관

                          (라) 할로겐 원소 및 수소와 직접 반응

                         * 2M + X₂ → 2MX(2Na + Cl₂→ 2NaCl)

                         * 2M + H₂ → 2MH(2Na + H₂→ 2NaH)

              * 알칼리 금속 염의 수용액은 산화 불꽃에서 금속 특유의 불꽃 색을 냄

2] 알칼리 금속의 화합물

         * 산화물(M₂O) 수산화물(MOH) 할로겐화물(MX) 탄산염(M₂CO₃)등.

  (1) 수산화나트륨(NaOH)

     (가) 제법;NaCl(aq)을 전기분해☞ (-)극에서 수소와 함께 생성.

           * 2NaCl(aq) + 2H₂O →2NaOH +H₂↑+Cl₂↑

    (나) 성질

         ① 무색 투명한 고체, 조해성이 있다

            *조해성 ; 공기 중의 수분을 흡수하여 스스로 녹는 현상

         ② 물에 잘 용해되어 강 염기성을 띰

         ③ 공기 중의 CO₂를 흡수 (2NaOH+CO₂→ Na₂CO₃+H₂O)

         ④ 양쪽성 원소와 반응 ☞수소발생 2Al + 2NaOH +2H₂O → 2NaAlO₂+3H₂

         ⑤ 비누 및 제지공업의 원료.

  (2) 탄산염(M₂CO₃)  2M⁺ +.CO₃^-2→ M₂CO₃

               * Li₂CO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃,.....

     (가) 탄산나트륨 (Na₂CO₃)

        ① 백색분말, 수용성, 수용액은 강 염기성

        ② 결정 탄산나트륨은(Na₂CO₃.10H₂O)풍해성 있다

          * 풍해성:결정수를 가진 결정을 공기에 방치하면 결정 수를 잃고 분말로 되는 현상

                  예) CuSO₄.5H₂O  →     CuSO₄+ 5H₂O

                   (황산구리 결정.청색)       백색분말

         ③ 산에 의해 분해 ☞ CO₂발생  Na₂CO₃+ 2HCl → 2NaCl +H₂O+CO₂↑

         ④ 물 유리, 소다 유리의 제조에 쓰임.

   (나) 탄산수소나트륨(NaHCO₃ 소오다, 중조)

         ① 제법 : Na₂CO₃ 수용액에 CO₂흡수 * Na₂CO₃+ H₂O + CO₂→ 2NaHCO₃

         ② 물에 녹아 약 알카리성 (위산제거 =제산 제)

         ③ 고온에서 분해 ☞ CO₂발생 * 2NaHCO₃→ Na₂CO₃+ H₂O +CO₂↑

⑶ 알칼리토금속(alkaline earth metal,2족) , 원자가전자= +2

             ₄Be: 1s² 2s²  → [ ₂He ]2s²

        ₁₂Mg: 1s² 2s² 2p¹⁶ 3s² → [₁₀ Ne] 3s²

        ₂₀Ca:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁰ →[₁₈ Ar]4s²

⑷ 13족: 원자가전자= + 3

      ₅B: 1s² 2s² 2p¹  → [₂He]2s² 2p¹

   ₁₃Al: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ →[₁₀Ne] 3s² 3p¹

  ₃₁Ga:1s²2s²2p⁶ s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹ →[₁₈Ar] 3d¹⁰4s²4p¹

⑸ 14족= 원자가전자= ± 4

      ₆C: 1s² 2s² 2p² → [₂He]2s² 2p²

   ₁₄Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² →[₁₀Ne] 3s² 3p²

   ₃₂Ge:1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p² →[₁₈Ar] 3d¹⁰4s²4p²

⑹ 15족= 원자가전자=  - 3

        ₇N: 1s² 2s² 2p³ → [₂He]2s² 2p³

     ₁₅P: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ →[₁₀Ne] 3s² 3p³

⑺16족= 원자가전자=  - 2

        ₈O: 1s² 2s² 2p⁴ → [₂He]2s² 2p⁴

      ₁₆S: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ →[₁₀Ne] 3s² 3p⁴

⑻17족= (할로겐족 , 원자가 전자=  - 1

        ₉F: 1s² 2s² 2p⁵ → [₂He]2s² 2p⁵

      ₁₇Cl: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ →[₁₀Ne] 3s² 3p⁵

    ₃₅Br:1s² 2s²2p⁶3s² 3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵ →[₁₈Ar]3d¹⁰4s²4p⁵

[1] 할로겐 원소의 성질.

    (1)최외각 전자 수 = 7개(ns², np⁵)

       * 전자 1개를 얻어 -1가의 음이온 되기 쉽다.

         X + e^-→ X^-+ E*전자 친화도가 크다.

         ( Cl > F > Br > I; 음 이온되기 쉬운 척도)

    

(2) 2원자 분자로 존재(F2, Cl2, Br2, I2) (3) 색이 있으며, (원자번호大 ☞ 색이 진함)       *F2(연황색), Cl2(황록색), Br2(적갈색),  I2(흑자색) (4) 원자번호大 ☞ m.p 및 b.p高    *F2(g),< Cl2(g),< Br2(l),< I2(s) (5) 금속 및 수소와 반응      ☞ 2Na + X → 2NaXH2+ X2→ 2HX  (예) H2 + F2→ 2HF (암실에서 폭발적 반응)      H2 + Cl2→ 2HCl(햇빛)            H2 + Br2→ 2HBr(고온)      H2 + I2→ 2HI(가열) * 할로겐화 수소화합물은 발연성,자극성기체, 물에 잘 용해 강산성.

⑼ 전이원소들 [transition element(d- block전이원소),

              inner transition metal(f-block 내부전이원소)3족~12족]

        ※전이원소는 전자들이 d준위를 채운다

     ★ □ 3d부준위를 채운경우

          ₂₁Sc:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ →[₁₈Ar]4s² 3d¹

          ₂₂Ti:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d² →[₁₈Ar]4s² 3d²

          ₂₃V:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³ →[₁₈Ar]4s² 3d³

         ₂₄Cr:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵ →[₁₈Ar]4s¹ 3d⁵

         ₂₅Mn:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵ →[₁₈Ar]4s² 3d⁵     

         ₂₆Fe:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ →[₁₈Ar]4s² 3d⁶

         ₂₇Co:1s² 2s²  2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁷→[₁₈Ar]4s² 3d⁷

         ₂₈Ni:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸ →[₁₈Ar]4s² 3d⁸

         ₂₉Cu:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰ →[₁₈Ar]4s¹3d¹⁰

         ₃₀Zn:1s² 2s² 2p¹ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ →[₁₈Ar]4s² 3d¹⁰

     ★ □ 4d부준위를 채운경우

전이금속 이온

* (4s, 3d) (5s, 4d) (6s, 4f, 5d) (7s, 5f, 6d) : 에너지 비슷

* ns와 (n-1)d : 에너지가 매우 근접

 → d전자가 더해지면,  (n-1)d 부껍질의 에너지 < ns 부껍질의 에너지

  → 이온화될 때 ns전자부터 제거된다

  예)  ₂₆Fe  1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶: [Ar]3d⁶4s²

        Fe²⁺ [Ar]3d⁶4s⁰

        Fe³⁺   [Ar]3d⁵4s⁰

        상자기성 Fe³⁺> Fe²⁺

        Fe³⁺와 Fe²⁺의 전자배치

■ 전이원소의 특징

[1] 전이원소의 전자 배치

   (1) 전자배열식 ; _n-1d^1-10, _n s^1-2☞전이원소 

                _n-1f^1-14, _n s^1-2☞내부전이원소(악티늄계열, 란탄계열)

                               ※ d,f orbital이 미완성인 원소

  (2)+2가의 공통 원자가를 갖기 쉽고, 여러 가지 원자가를 갖는다.

           (최외각 전자수가 2개, 단 ₂₄Cr,₂₉Cu는 1개)

[2] 전이 원소의 특성

   (1) 물리적 특성

    ① 모두 중금속, 열전기의 양도 체

    ② m.p 및 b.p가 높다

    ③ 원자번호가 증가해도 원자반경과 이온반경의 차가 크지 않다.

    ④특유의 광택을 지님.( 금, 구리, 망간을 제외하고 모두 은백색)

 (2) 화학적 특성

           ① 산화 수 = +2(_ns²의 전자배치때문), +2외에도 여러 가지가 있다

                    (예) Mn의 화합물 : +2,+3,+4,+5,+7등이 있다.

                        Mn : [₁₈Ar]4s²,3d⁵

                        Mn⁺²: "4s⁰,3d⁵

                        Mn⁺⁴: "4s⁰,3d³  *3d orbital의 전자도 원자가 전자로 작용함

           ② 이온은 색이 있음.

           ③ 반응성이 약함(촉매로 이용 ; Fe, Pt,  MnO₂, Ni등)

■ 전이원소의 이온색

수용액에 포함된 이온			수용액에 포함된 이온
이온	이름	수용액 색	이온	이름	수용액색
Fe+3	철(Ⅲ) 이온	담황색	CrO4-2	크롬산이온	황색
Fe+2	철(Ⅱ) 이온	담록색	Cr2O7-2	중크롬산이온	주황색
Co+2	코발트(Ⅱ) 이온	암적색	MnO4-	과망간산이온	적자색
Ni+2	니켈(Ⅱ)이온	녹색	[Fe(CN)6]-	육시아노철(Ⅱ)산 칼륨	담황색
Cr+3	크롬(Ⅲ)이온	암록색	[Fe(CN)6]-3	육시아노철(Ⅲ)산 칼륨	황색
Cu+2	구리(Ⅱ)이온	청색	[Cu(NH3)4]+2	사암민구리이온	청자색

■ 전자배치의 몇 가지 예외

    두 가지 중요한 예외는 크롬과 구리에 대한 것이다.

    Cr :        [Ar] 3d⁴4s²  →     Cr :   [Ar] 3d⁵4s¹

    Cu :        [Ar] 3d⁹4s²  →      Cu :  [Ar] 3d¹⁰4s¹

    Ag :        [Kr] 4d¹⁰5s¹

    Au :        [Xe] 4f¹⁴5d¹⁰6s¹

4.6. Hund의 규칙(Hund's rule)

    Hund의 규칙(Hund's rule)은 동일한 에너지를 가진 일련의 궤도 함수에 채워질 때,

    가능한 짝을 이루지 않도록 전자가 배치된다.

    (예) ₇N:   2s² p⁵    → 2s² 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹

       ₂₄Cr : [Ar]3d⁴4s² →   ₂₄Cr : [Ar]3d⁵4s¹

예) ₇N:  1s²     2s²   2p³ = 2px   2p_y   2p_z       

       (↑↓)   (↑↓)            (↑ )   (↑ )   (↑ )

  ₂₄Cr :  4s¹   3d⁵ =

        (↑ )            (↑ )   (↑ )   (↑ ) (↑ )   (↑ ) 

오비탈도표(orbital diagram) :  (↑↓)  (↑↓)      (↑ )   (↑ )   (↑ )

■ 원자의 자기적 성질 :

  반자성(diamagnetic substance 자기성질미약이나 없음):

                               : 전자쌍(paired electron )을 이룬 경우 즉

최외각오비탈이 (↑↓) (↑↓) (↑↓), (↑↓) (↑↓) (↑↓) (↑↓) (↑↓)

                       p orbital                d orbital

      ➜ 이런 모양의 전자도표(diagram)인 경우

    예) 수은증기  ₈₀Hg =[₅₄Xe ] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s²

                  12Mg = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² =[10Ne] 3s²

 상자성체: 전자쌍을 못채우면(unpaired electron=비전자쌍)자기성질생김

최외각오비탈이 (↑ ) (↑ ) (↑  ), (↑  ) (↑  ) (↑  ) (↑  ) (↑  )

                       p orbital                d orbital

      ➜ 상자성체(paramagnetic substance 자기성질있음 )

    예) ₁₁Na = [₁₀Ne] 3s¹

        ₂₅Mn:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁵ =[₁₈Ar]4s² 3d⁵

※ 원자궤도함수의 모양

  입자의 속도와 위치를 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하며, 그러한 측정은 최소한의 불확실성이 존재함을 수학적으로 증명하였다. 이것이 Heisenberg의 유명한 불확정성 원리(uncertainty principle)이다.

    전자확률의 개념은 두가지 매우 중요하고 자주 사용되는 개념을 이끌어 낸다. 한가지는, 전자가 일종의 전      자구름(electron cloud)으로 핵 주위에 퍼져 있는 것처럼 행동한다는 것이다.

    전자확률이 장소에 따라 변하는 것에 근거를 둔 전자밀도(electron density)

■ s와 p궤도함수의 모양과 크기

    1s 궤도함수에서 어느 방향으로나 핵으로부터 주어진 거리에서 전자를 발견할 확률은  똑같음을 알수 있    다. 궤도함수의 모양이 구형이라는 것을 의미한다.

■ d 부껍질에서 d 궤도함수의 모양과 배향

    d 부껍질에는 궤도함수가 다섯 개 있으므로, d 궤도함수 중 네 개는 모양이 같고 전자 밀도는  네 개의 로브    로(lobe) 구성되어 있다.

    다섯 번째 d 궤도함수 d_z2은 z축을 따라 서로 반대방향으로 두 개의 로브가 있다.

4.7. 원자 성질의 주기적 경향

• 유효핵전하

      3번 Li이온은 핵심부의 2(-) 전하는 핵의 두 양전하를 효과적으로 중화시키므로 바깥 전자가  느끼는 알짜       전하 즉, 유효핵전하(effective nuclear charge)는 단지 1+ 정도이다.

■ 원자와 이온의 크기

     ↳ 원자 크기의 주기적 변화:

    주기율표의 동족에서 위에서 아래로 내려갈수록, 원자가껍질의 주양자수가

    증가하는 반면에 바깥전자가 느끼는 유효핵전하는 거의 일정한 값을 갖는다.

    동주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 감에 따라, 핵전하는 증가하고, 원자의

    바깥껍질은 전자들이 점점 더 밀집되지만 안쪽 핵심부는 변화 없이 그대로이다.

    원자번호가 증가함에 따라 원자의 크기는 더 서서히 감소한다.

     ↳ 이온의 크기에 있어서 경향성:

    금속이 1가 양이온보다 더 큰 산화수의 이온을 형성할 때, 이온의 크기는 이온의

    양전하가  증가하는 양만큼 작아진다.

        철 원자의 반지름은 119 pm

             Fe⁺²이온의 반지름은 76 pm        ferrous 작은 원자가

               Fe⁺³이온의 반지름은 64pm         ferric 큰 원자가

■ 이온화 에너지(ionization energy, IE):

   바닥상태에 있는 기체상태의 원자나 이온으로부터 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지

X_(g) → X⁺_(g) + e^-

 ·1차이온화에너지          ·2차이온화에너지,             ·3차이온화에너지....

 ·1차이온화에너지      X_(g) → X⁺_(g) + e^-     ΔE₁= +  (kJ/mole)(kcal/mole)

 ·2차이온화에너지,     X ^- _(g) → X⁺²_(g) + e^-    ΔE₂ = +  (kJ/mole)(kcal/mole)

 ·3차이온화에너지....    X ^-2_(g) → X⁺³_(g) + e^-   ΔE ₃= +  (kJ/mole)(kcal/mole)

※ 이온화 에너지의 주기적 경향

 일반적으로 이온화 에너지는 족의 아래에서 위로 갈수록 증가하고 주기의 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 증가한다.

• 이온화 에너지의 주기적 경향

   ① 주족 원소 : 족에서는 아래로 갈수록 감소하고

                   주기에서는 오른쪽으로 갈수록 증가한다.

   ②전이 및 내부전이원소 :

     주기에서 오른쪽으로 갈수록 매우 작게 증가

      → ∵ 전이원소의 원자반지름이 매우 작게 감소하기 때문

 예)  Mg(g)        → Mg⁺(g) + e        IE₁ = 738kJ/몰  

     1s²2s²2p⁶3s²      1s²2s²2p⁶3s¹    

     Mg⁺(g)    →   Mg²⁺(g)  +  e      IE₂ = 1450kJ/몰

     1s²2s²2p⁶3s¹    1s²2s²2p⁶

     Mg²⁺(g) →  Mg³⁺(g)  +  e       IE₃ = 7734kJ/몰

     1s²2s²2p⁶          1s²2s²2p⁵

         제 1 이온화 E < 제 2 이온화 E < 제 3 이온화 E

 이온화 에너지(1175kJ/몰) ≒ Xe 이온화 에너지(1170kJ/몰)

        PtF₆ + Xe  → [Xe⁺][PtF₆^-]

예제) 주기율표만을 사용하여 다음 원자들을 제1이온화 에너지가 큰 순서대로 나열하라.      

     Al, Ar, Cl, Na, K, Si →  K < Na < Al < Si < Cl < Ar

■ 전자친화도

    전자친화도(electron affinity, EA):

   바닥상태에 있는 기체의 원자나 이온에 전자를 첨가할 때 위치에너지의 변화

=자가 기체상 원자에 첨가되어 -1가 이온을 만들 때 생기는 에너지 변화

X(g) + e^- → X ^-(g)

•전자 친화도의 주기적 경향성

    주기: 일반적으로 오른쪽으로 갈수록 증가   예외) 2A, 5A족

     족 : 아래로 내려갈수록 감소  예외) 2주기 < 3주기

      F(g) + e^-  → F^-(g)        ΔE = EA = -328kJ/몰

    1s²2s²2p⁵        1s²2s²2p⁶

      Ne(g) +  e^- →   Ne^-(g)       ΔE = EA > 0 kJ/몰

    1s²2s²2p⁶          1s²2s²2p⁶3s¹

■ 전기음성도(electronegativity) : 공유결합에서 한 원자가 결합전자쌍을 끌어당기는 원자의 능력에 대한 척도

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