원자 구조와 주기율 [1] 원자 구조

[파이랑]

원자 구조와 주기율

[1] 원자 구조
[2] 원자 모형과 전자배치
[3] 주기율

        

[1] 원자 구조

    (1) 전자의 발견

        ① 음극선 실험(1897년, 톰슨)

            ㉠ 음극선의 진행 방향에 십자 모양의 장애물을 놓았더니 반대편에 그림자가 생겼다.

                → 음극선은 직진하는 성질이 있다.

            ㉡ 음극선의 진행 방향에 바람개비를 놓았더니 바람개비가 회전하였다.

                → 음극선은 질량을 가진 입자의 흐름이다.

            ㉢ 음극선의 진행 방향과 수직으로 전기장을 걸어 주었더니 (＋)극 방향으로

                진로가 휘었다. → 음극선은 (－)전하를 띠고 있다.

        ② 음극선은 (－)전하를 띤 매우 작은 입자들의 흐름이라는 것을 확인 → 전자

            

 

    (2) 원자핵의 발견

        ① α입자 산란 실험(1911년, 러더퍼드)  : 얇은 금속박에 α입자(He^2＋)를 충돌시켰을 때

            대부분의 α입자는 그대로 직진하나 극히 일부분의 α입자는 진로가 휘거나

            튕겨 나오는 것을 관찰

            

        ② 원자는 대부분이 빈 공간이며 그 중심부에 양전하를 띤 원자 질량의 대부분을

            차지하는 곳이 있다. → 원자핵

        ③ 양성자 : 골트슈타인의 양극선 실험을 통하여 발견

        ④ 중성자 : 채드윅이 베릴륨의 박판에 α입자를 충돌시켜 전하가 없는 입자가

            튀어나오는 것을 발견

 

    (3) 원자의 구성 입자

입자		질량(g)	전하량(C)
원자핵	양성자	1.673×10-24(1837)	＋1.6×10-19(＋1)
	중성자	1.675×10-24(1839)	0
전자		9.109×10-29(1)	－1.6×10-19(－1)

        ① 원자 번호＝양성자수＝전자수 (중성 원자)

        ② 질량수＝양성자수＋중성자수

        ③ 동위 원소

            ㉠ 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소

            ㉡ 양성자수는 같으나 중성자수가 다르다.

            ㉢ 화학적 성질이 서로 같고 질량만 다르다.

                ex) ¹H, ²H, ³H      ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O   

 

[2] 원자 모형과 전자 배치

    (1) 원자 모형의 변천

        ① 돌턴의 모형 : 더 이상 쪼갤 수 없는 단단한 공과 같다.

        ② 톰슨의 모형 : (＋)전하를 띤 공 속에 (－)전하를 띤 전자들이 듬성듬성 박혀 있다.

        ③ 러더퍼드의 모형 : 원자 중심에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 돌고 있다.

        ④ 보어의 모형 : 전자는 원자핵 주위의 일정한 궤도만을 원운동한다.

        ⑤ 현대의 모형 : 전자는 원자핵 주위에 구름처럼 퍼져 있다. (원자핵 주위에 전자를

            발견할 수 있는 확률 분포를 구름처럼 나타낸 모형))

        

 

    (2) 보어의 원자 모형과 전자 배치

        ① 수소 원자의 선스펙트럼 : 원자핵 주위에 있는 전자는 불연속적인 에너지 준위를

            갖는다는 것을 알 수 있다.

        ② 보어의 원자 모형 : 수소 원자의 선스펙트럼을 설명하기 위하여 제시하였다.

            ㉠ 전자는 원자핵 주위의 특정한 에너지 준위의 원형 궤도상에서만 운동한다.

                이 전자 궤도를 원자핵에 가까운 것부터 K, L, M, N…전자 껍질이라고 부른다.

            ㉡ 전자 껍질의 에너지는 주양자수 n에 의해 결정된다.

                

            ㉢ 전자가 같은 궤도를 돌고 있을 때에는 에너지를 흡수하거나 방출하지 않는다.

            ㉣ 전자가 다른 에너지 준위로 전이할 때는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 에너지를

                흡수하거나 방출한다.

               ·바닥 상태 : 전자가 가장 낮은 에너지 준위에 있어서 안정한 상태

               ·들뜬 상태 : 전자가 에너지를 흡수하여 높은 에너지 준위로 올라가 있는

                불안정한 상태

        ③ 수소 원자의 선스펙트럼 계열

            ㉠ 선스펙트럼이 나타나는 이유 : 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로

                전이할 때 일정한 에너지의 빛만 방출하기 때문

            ㉡ 스펙트럼 계열

               ·라이먼 계열(자외선 영역) : 전자가 n＝2 이상인 전자 껍질에서 n＝1인

                전자 껍질로 전이할 때  

               ·발머 계열(가시광선 영역) : 전자가 n＝3 이상인 전자 껍질에서 n＝2인

                전자 껍질로 전이할 때  

               ·파셴 계열(적외선 영역) : 전자가 n＝4 이상인 전자 껍질에서  n＝3인

                전자 껍질로 전이할 때

                

        ④ 원자의 전자 배치

            ㉠ 전자는 에너지 준위가 낮은 전자 껍질부터 차례로 채워진다.

            ㉡ 각 전자 껍질에는 최대 2n² 개의 전자가 채워질 수 있다.

            ㉢ 가장 바깥 전자 껍질에 배치되는 전자의 수는 8개를 넘지 못한다.

            ㉣ 원자가전자

               ·가장 바깥 전자 껍질에 배치되어 있는 전자

               ·원소의 화학적 성질을 결정한다.

            

    (3) 현대적 원자 모형과 오비탈

        ① 오비탈(궤도 함수)

            ㉠ 각 에너지 준위에서 전자가 원자핵 주위에 어떤 공간을 차지하는가를 나타내는

                함수(전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수는 없고, 다만 전자가 원자핵

                주위의 일정한 위치에서 발견될 확률만을 알 수 있다.)

            ㉡ s 오비탈 : 구형 모양으로 방향성이 없다.

            ㉢ P 오비탈 : x, y, z축의 3가지 방향으로 놓여 있는 아령 모양

            

        ② 오비탈의 에너지 준위

            ㉠ 다전자 원자의 에너지 준위

                1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s…

                

            ㉡ 수소 원자의 에너지 준위

                1s<2s＝2p<3s＝3p＝3d<4s＝4p＝4d＝4f<5s…

        ③ 다전자 원자의 전자 배치

            ㉠ 구성의 원리 : 전자는 에너지 준위가 가장 낮은 오비탈부터 차례로 채워진다.

            ㉡ 파울리의 배타 원리 : 한 개의 오비탈에는 전자가 2개까지만 채워질 수 있다.

            ㉢ 훈트의 규칙 : 에너지 준위가 같은 여러 개의 오비탈에 전자가 채워질 때

                각 오비탈에 전자가 한 개씩 채워진 후, 두 번째 전자가 채워진다.

                (짝짓지 않은 전자가 많을수록 전자간 반발력이 작아서 안정하기 때문)

            ※ 홀전자 : 원자가전자 중에서 짝짓지 않은 전자

전자 껍질	K	L	M	N
오비탈의 종류	1s	2s, 2p	3s, 3p, 3d	4s, 4p, 4d, 4f
오비탈 수	1	1,  3	1,  3,   5	1,  3,   5,  7
총 오비탈 수	1	4	9	16
전자의 수 (2n2)	2	8	18	32

        ④ 이온의 전자 배치

            ㉠ 원자가 전자를 잃을 때는 에너지가 가장 높은 오비탈의 전자를 잃는다.

            ㉡ 원자가 전자를 얻을 때는 전자가 채워지지 않은 오비탈 중에서

                가장 에너지가 낮은 오비탈에 채워진다.

 

[3] 주기율

    (1) 원소의 분류와 주기율

        ① 주기율의 발견

            ㉠ 세 쌍 원소설 (되베라이너)

               ·화학적 성질이 비슷한 원소가 세 쌍씩 존재한다는 사실을 발견

               ·세 쌍 원소에서 중간에 있는 원소의 물리적 성질은 양쪽에 있는 원소의

                평균값과 같다.

            ㉡ 옥타브설(뉼렌즈) : 그 당시에 알려진 원소들을 원자량 순서로 배열하였을 때

                성질이 비슷한 원소가 8번째마다 나타난다는 사실을 발견

        ② 멘델레예프의 주기율표

            ㉠ 그 당시까지 발견되었던 63종의 원소들을 원자량 순서로 배열하면 화학적 성질이

                비슷한 원소가 일정한 간격을 두고 주기적으로 나타난다는 사실을 발견

            ㉡ 그 당시 발견되지 않았던 원소들에 대해서는 빈칸으로 남겨 두고 발견될

                원소의 원자량과 성질을 예언

        ③ 모즐리의 주기율표 : 원소들을 원자 번호 순서로 배열한 현재의 주기율표를 만들었다.

        ④ 주기율표 : 원소들을 원자 번호 순으로 배열하여 화학적 성질이 비슷한

            원소들이 같은 세로줄에 오도록 만들어 놓은 것

            ㉠ 주기

               ·주기율표의 가로줄 (1∼7주기)

               ·같은 주기 원소들은 같은 수의 전자 껍질을 갖는다.

               ·1~3주기를 단주기, 4~7주기를 장주기리고 한다.

            ㉡ 족

               ·주기율표의 세로줄 (1∼18족)

               ·같은 족 원소(동족 원소)들은 원자가전자수가 같으므로 화학적 성질이 비슷하다.

            

        ⑤ 원소의 분류

            ㉠ 전형원소

               ·1족, 2족, 12∼18족 원소

               ·금속 원소와 비금속 원소가 모두 존재한다.

               ·같은 족 원소들은 화학적 성질이 비슷하다.

               ·족의 번호 끝자리 숫자와 원자가전자의 수가 같다.

               ·전자 배치에서 s 나 p 오비탈에 전자가 채워진다.

            ㉡ 금속 원소

               ·전자를 잃고 양이온이 되기 쉽다.

               ·열과 전기를 잘 통한다.

               ·주기율표의 왼쪽 아래로 갈수록 금속성이 강하다.

            ㉢ 비금속 원소

               ·전자를 얻어 음이온이 되기 쉽다.

               ·열과 전기를 잘 통하지 않는다.

               ·주기율표의 오른쪽 위로 갈수록 비금속성이 강하다.

            ㉣ 양쪽성 원소

               ·산과 염기 모두와 반응하여 수소 기체를 발생한다.

               ·Al, Zn, Sn, Pb

            ㉤ 전이 원소

               ·3∼11족 원소

               ·밀도가 큰 중금속이다.

               ·녹는점과 끓는점이 높다.

               ·원자가전자수가 대부분 2개(₂₄Cr, ₂₉Cu는 1개)이므로 족에 관계없이 성질이

                거의 비슷하다.

               ·부분적으로 채워진 d 또는 f 오비탈을 가지고 있다.

               ·s 오비탈의 전자 뿐만 아니라 d 오비탈의 전자도 결합에 참여하므로 여러 개의

                산화수를 가지는 경우가 많다.

               ·반응성이 작아 촉매로 쓰이는 것이 많다.

               ·전이 원소의 이온과 화합물은 색을 띠는 것이 많다.

 

    (2) 원소의 주기적 성질

        ① 입자의 크기에 영향을 미치는 요인

            ㉠ 전자 껍질수 : 전자 껍질수가 많을수록 입자의 크기가 커진다.

            ㉡ 핵의 전하량 : 핵의 전하(＝양성자수＝원자 번호)가 증가하면 핵과 전자 사이의

                인력이 커지므로 입자의 크기는 작아진다.

            ㉢ 전자수 : 전자수가 증가하면 전자와 전자 사이의 반발력이 커지므로

                입자의 크기는 커진다.

        ② 원자 반지름

            ㉠ 원자 반지름 : 같은 두 원자가 결합하였을 때 두 원자핵 사이의 거리의 반

            ㉡ 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 커진다. (전자 껍질수 증가)

            ㉢ 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 작아진다. (핵의 전하량 증가)

            

        ③ 이온화 에너지

            ㉠ 기체 상태의 중성 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어 내어 양이온으로 만드는 데

                필요한 에너지(kJ/mol)

                M(g)＋E → M^＋(g)＋e^－ (E : 이온화에너지)

            ㉡ 이온화 에너지가 클수록 전자를 떼어내기 어렵다.

            ㉢ 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 감소한다.

            ㉣ 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 대체로 증가한다.

            

            ㉤ 순차적 이온화 에너지 : 한 원자에서 여러 개의 전자를 차례로 떼어낼 때

                각 단계별로 필요한 에너지

                M(g)＋E₁ →  M^＋(g)＋e^－

                M^＋(g)＋E₂ →  M^2＋(g)＋e^－

                M^2＋(g)＋E₃ →  M^3＋(g)＋e^－

               ·이온화가 진행될수록 전자들 사이의 반발력은 감소하고 원자핵과 전자 사이의

                인력은 증가하므로 이온화 에너지는 점차 증가한다. (E₁<E₂<E₃…)

               ·전자 껍질이 바뀔 때 순차적 이온화 에너지가 급격히 증가하므로 원자가전자수를

                알 수 있다.

        ④ 전자 친화도

            ㉠ 기체 상태의 중성 원자 1몰이 전자 1몰을 받아들여 음이온으로 될 때

                방출하는 에너지(kJ/mol)

                X(g)＋e^－ → X^－(g)＋E (E : 전자 친화도)

            ㉡ 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 감소한다. (예외 : F<Cl)

            ㉢ 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 증가한다.

            ㉣ 전자 친화도가 클수록 그 원소의 음이온은 안정하며, 전자 친화도가 작으면

                음이온이 생성되기 어렵다.

 

    (3) 원소들의 규칙적인 성질

        ① 알칼리 금속(1족)

원소	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/cm3 )	불꽃 반응색	반응성
3Li	180.0	1400	0.53	빨강	│ │ ↓ 증가
11Na	97.8	878	0.97	노랑
19K	63.5	720	0.86	보라
37Rb	38.8	696	1.53	진빨강
55Cs	26.5	670	1.90	연파랑

            ㉠ 은백색 광택, 가볍고 연한 금속

            ㉡ 다른 금속에 비해 녹는점과 끓는점이 낮고 밀도가 작다.

            ㉢ 원자 번호가 증가할수록 녹는점, 끓는점이 낮아지고, 밀도는 커진다.

            ㉣ 원자가전자가 1개이므로 전자 1개를 잃고 ＋1가의 양이온이 되기 쉽다.

            ㉤ 공기 중에서 쉽게 산화된다.

                4Na＋O₂ → 2Na₂O

            ㉥ 상온에서 물과 격렬하게 반응하여 수소 기체를 발생시키고, 용액은 염기성이 된다.

                2Na＋2H₂O → 2NaOH＋H₂↑

            ㉦ 원자 번호가 증가할수록 반응성이 커진다.

                반응성(환원력) : Li<Na<K<Rb<Cs

            ㉧ 공기나 물과의 반응성이 크므로 석유나 벤젠 속에 보관한다.

            ㉨ 불꽃 반응시키면 금속 특유의 색깔이 나타나므로 알칼리 금속이나 그 이온을

                검출할 수 있다.

        ② 할로겐 원소(17족)

원소	분자	녹는점(℃)	끓는점(℃)	색깔	반응성
9F	F2	－217.9	－188.0	담황색	증가 ↑ │ │
17Cl	Cl2	－100.9	－34.1	황록색
35Br	Br2	－7.9	58.8	적갈색
53I	I2	113.6	184.4	흑자색

            ㉠ 원자가전자가 7개이므로 전자 1개를 얻어 －1가의 음이온이 되기 쉽다.

            ㉡ 2원자 분자로 존재한다.

            ㉢ 원자 번호가 증가할수록 녹는점, 끓는점이 높아진다.

            ㉣ 원자 번호가 작을수록 반응성이 커진다.

                반응성(산화력) : F₂>Cl₂>Br₂>I₂

            ㉤ 수소 기체와 반응하여 할로겐화수소를 생성한다.

                H₂＋F₂ → 2HF＋128.4Kcal (암실)

                H₂＋Cl₂ → 2HCl＋44.1Kcal (햇빛)

                H₂＋Br₂ → 2HBr＋24.7Kcal (가열)

                H₂＋I₂ → 2HI＋12.5Kcal (촉매. 가열)

            ㉥ 특유의 색깔을 나타내며 원자 번호가 증가할수록 색깔이 진해진다.

            ㉦ 할로겐화 이온의 검출 : 은 이온과 반응하여 특유한 색깔의 앙금을 생성한다.

                Ag^＋＋F^－ → AgF (용해)

                Ag^＋＋Cl^－ → AgCl↓ (흰색)

                Ag^＋＋Br^－ → AgBr↓ (연노란색)

                Ag^＋＋I^－ → AgI↓ (노란색)