원자 구조와 주기율
(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(He2+)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
(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.
(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 → M2+(g)+e-
M2+(g)+E3 → M3+(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)
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원자 구조와 주기율 [1] 원자 구조
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07.11.26 20:40
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