보석학 4 보석의 화학 4.1 보석의화학

[백산]

보석 보물사냥꾼 - 보석의 화학

출처:  Gemology Project  소스: EK 이페어케이 플러스

원소는 일반적인 방법으로 더 단순한 형태의 물질로 분리할 수 없는 물질입니다. 원소는 고체, 액체 또는 기체 일 수 있습니다.

몇 가지 일반적인 원소는 탄소, 금, 구리, 철, 산소, 실리콘 등입니다.

원자는 원소의 가장 작은 부분입니다. 화학 원소 중 가장 작고 나눌 수 없는 입자입니다. 

각 원자는 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 양성자로 구성됩니다.

 전기적으로 중성인 원자를 생성하는 비슷한 수의 전자와 양성자가 있습니다.

원자는 어떤 화학 과정으로도 세분될 수 없습니다.

기초의

원자
원자는 원소의 가장 작은 부분입니다. 

그것은 여전히 그 원소의 모든 특성을 가지고 있는 화학 원소의 가장 작고 나눌 수 없는 입자입니다. 

각 원자는 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 양성자, 전하를 띤 중성자(수소 제외)로 구성됩니다. 

전기적으로 중성인 원자를 생성하는 비슷한 수의 전자와 양성자가 있습니다.
양성자와 중성자는 핵에 있고 전자는 궤도(궤도가 아님)에서 핵 주위를 회전합니다.

림 \(\PageIndex{1}\): 수소의 보어 모델(중성자 없음)

덴마크의 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr)는 원자의 구성 요소를 시각화하는 다이어그램을 최초로 만들었습니다. 

왼쪽 이미지는 수소 원자를 나타내기 위해 그려진 다이어그램입니다. 

수소는 핵에 중성자가 없는 유일한 원자입니다(이것은 실제로 수소 동위원소 프로티움에만 해당됩니다). 

그것은 핵에 하나의 양전하를 띤 양성자와 핵 주위를 회전하는 하나의 음전하를 띤 전자를 가지고 있습니다.

원자에는 음전하만큼 많은 양전하가 있기 때문에 총 전하는 중성입니다.

핵 주위의 궤도는 1에서 7까지 번호가 매겨져 있으며 에너지 준위 역할을 합니다. 

이전에는 K, L, M, N 및 O 쉘로 명명되었습니다. 

여전히 알파벳순을 사용할 수 있지만 숫자 값이 선호됩니다.


모든 궤도(또는 에너지 준위 또는 껍질)는 특정 양의 전자를 보유할 수 있습니다.

n=1의 경우 2개의 전자이고 n=2의 경우 8개의 전자입니다.

특정 껍질이 보유할 수 있는 최대 전자 수는 2n 공식을 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다

2
n=1이면 2 x (1)가 됩니다.2또는 2 x 1 = 2개의 전자.

n=2이면 2 x (2)가 됩니다.2또는 2 x 4 = 8개의 전자 등

메모
일반적인 보석학적 목적을 위해, 우리는 양성자와 중성자에 대해 별로 관심이 없고, 단지 전자에 대해서만 관심이 있다(그러나 그것들을 알고 있어야 한다).

전자는 바닥에서 위로 채워지는데, 이는 다음 껍질이 전자를 얻기 전에 가장 낮은 껍질이 먼저 채워진다는 것을 의미합니다.

 전자는 쌍으로 이동하는 경향이 있으며 이런 일이 발생하면 쌍을 이루는 전자라고 합니다.

아래 갤러리에서 원자 헬륨은 2개의 양성자(및 2개의 중성자)의 핵 주위를 회전하는 2개의 전자를 가지고 있으며 첫 번째 껍질을 완전히 채웁니다. 

리튬에는 3개의 전자가 있고 3개의 전자가 첫 번째 껍질에 맞기 때문에 세 번째 전자는 다음 수준인 n=2를 차지합니다. 

베릴륨은 4개의 전자를 가지고 있으므로 n1(최대)에 2개의 전자가 있고 n2에 2개의 전자가 있습니다. 

마지막으로 5번째 원소 붕소에는 5개의 전자가 있으므로 3개의 전자가 n2에서 이동합니다

그림 \(\PageIndex{2}\): 헬륨
2 양성자, 2 중성자 및 2 전자

림 \(\PageIndex{3}\): 리튬
3 양성자, 4 중성자 및 3 전자

그림 \(\PageIndex{4}\): 베릴륨
4 양성자, 5 중성자, 4 전자

그림 \(\PageIndex{5}\): 붕소 5개의 양성자, 6개의 중성자,
5개의 전자

분자
원소의 원자는 함께 결합하여 화합물로 알려진 새로운 물질의 작은 부분을 형성할 수 있습니다. 분자는 화학적으로 결합되고 물질의 조성과 화학적 특성을 정의하는 두 개 이상의 원소로 구성된 물질의 가장 작은 부분으로 정의됩니다.

고급
원자와 양자 이론

그림 \PageIndex{6} 4.1.6
 : 서브쉘이 있는 단순화된 Bohr 모델

단일 에너지 쉘을 가진 기본 보어 모델은 대부분의 경우 잘 작동하지만 더 복잡한 전자 구성 및/또는 자기를 이해하는 데 사용할 수 없습니다.

파울리 배제 원리에 따르면 두 개의 동일한 입자가 동일한 원자 에너지 상태에 있을 수 없습니다.

 이것은 우리를 4개의 양자 숫자에 의존하는 양자 이론(원자의 전자 구조가 설명될 때)의 핵심으로 이끕니다.

주 양자 수(n)

각운동량 양자수(l)

자기 양자수(ml)

스핀 양자 수(ms)

오른쪽 이미지에는 기본 쉘(n=1)에 있는 4개의 서브쉘을 보여주는 조잡한 예가 그려져 있습니다. 

수소 원자와 비슷하지만 설명을 위한 것입니다. 수소에는 서브쉘이 하나만 있기 때문에 실제 상황이 아닙니다.

주 양자 수는 에너지가 적은 낮은 수준의 원자의 에너지 준위를 나타내며 n으로 표시됩니다(K, L, M, N, O 등의 껍질이라고도 함). 최대 7개의 쉘이 있으며 각 쉘은 n=1에서 n=7로 설명됩니다.

각운동량 양자 수(또는 방위각 양자 수)는 0에서 3까지의 정수를 가질 수 있습니다(이론적으로는 최대 6까지 올라갈 수 있음). 이들은 에너지 준위의 서브 쉘로 알려져 있습니다.

각 주 양자 수(또는 에너지 준위)는 0 - (n-1)으로 식별되는 일정량의 서브쉘을 가질 수 있습니다. 

수소(n=1)의 경우 0에서 1-1 = 0입니다. 가장 높은 에너지 준위가 n=2인 원자의 경우 0 - 2-1이므로 0 및 1입니다. 

전자 구성에서는 스펙트럼 판독값에 따라 s, p, d 및 f로 명명됩니다.

이러한 알파벳순은 서브쉘 번호와 일치합니다.

0 = 초

1 = 피

2 = d

3 = 에프

자기 양자 수는 자기장에서 궤도의 방향과 관련이 있으며 정수 값 -l을 +l로 취하므로 l=2(l=d와 동일)이면 자기 양자 수(ml)는 -2,-1,0,1 및 2일 수 있습니다.

이 "궤도"는 모두 동일한 에너지를 가지며 전자는 가능하면 쌍으로 채우지 않습니다. 

모두 1개의 전자로 채워질 때만 전자가 쌍을 이룰 때까지 충전이 계속됩니다. 

이 오비탈은 각각 최대 2개의 전자를 보유할 수 있습니다(Pauli 배제 원리).

스핀 양자 수는 에너지 준위에서 전자가 회전하는 방식을 설명합니다. 

1/2+ 또는 1/2-(업스핀 및 다운스핀이라고도 함)일 수 있으며 이를 축을 중심으로 회전하는 행성 지구(시계 방향 또는 시계 반대 방향)로 시각화할 수 있습니다.

두 개의 전자가 동일한 에너지 준위에 있을 때 하나는 업스핀을 가지며 하나는 다운스핀을 일으켜 0으로 균형을 맞춥니다.

이러한 스핀은 예를 들어 철에서와 같이 자성을 유발하는 것입니다. 

에너지 준위가 채워지면 한 번에 하나의 전자로 채워지며 모두 동일한 스핀을 갖습니다. 

많은 (짝을 이루지 않은) 전자가 동일한 스핀을 가질 때 짝을 이루지 않은 전자가 하나만 있을 때보다 더 강력한 자석으로 함께 작용합니다(작은 자석).

원자가
원소의 원자가는 수소 원자 하나와 결합하거나 대체할 원자의 수에 의해 결정됩니다. 

일부 원소는 다른 화합물에서 다른 원자가를 갖는다는 것을 관찰 할 수 있습니다. 

예를 들어, 화합물 FeO(산화철)는 2가이고 Fe2O3(산화철)는 3가입니다.

원자의 전자적 구성
원소, 화합물 및 결정의 형성의 특성은 전자의 배치와 상호 작용에 크게 좌우됩니다. 

전자는 구름처럼 모든 방향으로 핵 주위를 돌고 있습니다. 

움직임의 평균 반경은 껍질 또는 에너지 준위로 정의됩니다. 

이 껍질은 양자 역학에 의해 결정되는 예측 가능한 수준으로 유지됩니다. 

각 껍질에는 주어진 수의 전자만 포함되어 있습니다. 가장 안쪽 쉘(K 쉘 또는 n=1이라고 함)에는 최대 2개, 두 번째 쉘(L 쉘 또는 n=2라고 함)에는 각각 8개가 있습니다. 

2n 다음에 세 번째 쉘 (N 쉘 또는 n = 3으로 알려짐) 등에 각각 18 개가 있습니다2 규칙

그림 \PageIndex{7} 4.1.7
 : 전자 구성에 대한 주기율표

원자 번호

각 화학 원소는 원자 번호라고도 하는 유사한 원자로 구성됩니다. 

그들은 모두 같은 수의 양성자를 가지고 있습니다. 

수소(원자 번호 1)는 양성자 1개와 행성 전자 1개를 가지고 있습니다. 

자연적으로 발생하는 가장 무거운 원자인 우라늄은 92개의 양성자와 92개의 전자를 가지고 있습니다.

원소 112는 1996년 2월 9일 독일 다름슈타트에서 발견되었다. 

현재 확인된 동위원소는 인간이 만든 원자 중 가장 무거운 원자이며 원자 질량은 277로 수소보다 277배 무겁습니다.

수소를 제외한 다른 모든 원자핵에는 중성자가 포함되어 있으며, 헬륨의 경우 2에서 우라늄 원자의 경우 146까지 다양합니다. 

원소의 원자량은 원자핵을 형성하는 양성자와 중성자의 무게입니다. 

원자가 하나의 전자를 얻거나 잃으면 전기적으로 중성이 아니라 이온으로 알려진 것이 됩니다. 

전자가 증가하면 음이온으로 알려진 음전하를 띤 이온이 생성됩니다. 

전자가 손실되면 양이온이라고 하는 양전하를 띤 이온이 생성됩니다.

그림 \PageIndex{8}4.1.84.1.8: 멘델레예프 원소 주기율표