화학:2-1단원 기초개념( 원자의 세계-원자의 구조)

Ⅱ. 원자의 세계

 

1. 원자의 구조

01. 원자의 구성 입자

1)원자를 구성하는 입자

크기가 너무 작아 원자의 실체를 증명하기 어려웠던 시기에 돌턴이 발표한 원자 이론은 현대 과학 발전의 큰 바탕이 되었습니다.

그리고 이후 여러 과학자들의 실험을 통해 원자가 더작은 입자들로 구성되어 있다는것이 밝혀지면서 원자의 구조가 구체적 형태를 갖춰 가기 시작하였습니다.

물질을 구성하는 가장 작은 입자라고 믿었던 원자가 더 작은 입자로 나누어질수 있다는 사실을 가장 먼저 확인한 과학자는 톰슨입니다.

톰슨은 음극선 실험을 통해 원자가 더 작은 입자로 이루어져 있다는 사실을 입증 하였습니다.

톰슨의 음극산 실험

 

톰슨은 음극선 실험을 통해 전자의 존재를 확인하였을 뿐만 아니라 몇가지 추가적인 실험을 통해 전자의 성질을 밝혀냈습니다.

그리고 원자가 전기적으로 중성이랑 사실을 바탕으로 (+)전하를 띤 공 모양의 물체 속에(-)전하를 띠는 전자들이 듬성듬성 박혀 있는 푸딩을 닮은 원자 모형이라고 제안하였습니다

톰슨의 원자모형

 

 

 

이후 러더퍼드는 톰슨의 모형을 확인하기 위해 얇은 금박에 알파(a)입자를 충돌시키는 실험을 설계하였습니다.

이 실험에서 러더퍼드는 헬륨 원자핵(He2+)인 알파 입자의 질량이 전자에 비해 매우 크므로 대부분의 알파 입자는 금박을 통과해 거의 그대로 직진할 것으로 예측하였습니다.

러더퍼드의 알파입자 충돌 실험

실험 결과 러더퍼드의 예측과는 달리 일부의 알파 입자들이 예상보다 큰 각도로 휘거나 심지어 튕겨 나오는 것도 관찰 되었습니다.

러더퍼드는 이 결과를 바탕으로 원자 중심에 크기가 작지만 원자의 거의 모든 질량을 차지하며, (+)전하를 띠는 원자핵이 있고, 대부분 비어있는 공간 주위로 전자가 원 운동을 하는 새로운 원자 모형을 제안하였습니다.

러더퍼드의 원자 모형

 

이후 골드슈타인은 진공 방전관에 소량의 수소 기체를 넣고 높은 전압을 걸었을때 (+)극에서 (-)극으로 이동하는 양극선을 발견하였고, 이후 러더퍼드에 의해 이 양극선이 양성자의 흐름이 확인 되었습니다

중성자의 존재는 채드윅 이 베릴륨 막을 이용한 알파 입자 충동 실험에서 전하를 띠지 않은 입자가 튕겨 나오는것을 보고 발견하였습니다.

 

원자핵은 원자에서 아주 작은 공간을 차지하지만 질령은 원자 전체의 대부분을 차지합니다.

또, 원자핵 내부의 중성자는 전하를 가지고 있지 않은 반면 양성자는 +1의 상대 전하를 가지고 있고, 전자는 -1의 상대 전하를 가지고 있어 원자는 전기적으로 중성을 띤다.

질량수는 중성자=양성자>>>>전자 입니다.

 

원자를 구성하는 입자들 중 양성자수에 따라 원소의 종류가 달라집니다.

원소는 화학 반응 과정에서 전자수가 변하여도 달라지지 않고, 양성자수에 의해서만 원소가 구별되므로 양성자수를 기준으로 원자 번호를 부여하였습니다.

중성 상태에서 양성자수가 전자수와 같으므로, 전기적으로 중성인 원자에서는 다음과 같은 관계가 성립합니다.

 

원자 번호= 양성자수=전자수(중성 원자의 경우)

 

전자의 질량은 원자핵을 구성하고 있는 양성자나 중성자에 비해 매우 작습니다.

따라서 원자의 질량의 대부분은 양성자와 중성자가 차지하므로 두입자의 수를 합한 값으로 질량을 나타내며, 이를 질량수라고 합니다.

질량수=양성자수+중성자수

 

원자 표시 방법

 

원자량은 탄소원자 1개의 질량을 12로 정하고, 각원자들의 질량을 상대적인 값으로 나타낸 것입니다.

그러나 원소들은 동위 원소가 존재하므로 주기율표에서 나타내는 원소의 원자량은 자연계에서의 존재 비율을 고려한 평균 원자량입니다.

예를 들어 탄소는 원자량 12인 탄소가 98.23% 존재하며, 원자량 13인 탄소가 1.07% 존재 하므로 탄소의 평균 원자량은 12.01이 됩니다.

 

 

 

 

02. 현대 원자 모형

1)현대 원자 모형

현대 원자 모형에서 전자를 나타낼 때는 전자의 운동을 정확하게 표현하는 것이 불가능 하기때문에 특정 위치에서 전자의 발견 확률로 나타내고 있습니다.

마치 일기예보를 할때 비가온다, 비가 오지않고 맑다. 가아닌 비가 올 확률이 70%이다 로 예보 하는것과 같습니다.

현대 원자 모형은 원자핵 주위에 있ㄴ느 전자들이 발견될 확률 분포를 구름처럼 나타내고 있습니다.

 

 

2)수소의 스펙트럼과 보어의 모형

햇빛은 백색광이지만 분광기를 이용하면 빛을 나누어 볼 수 있습니다.

이를 스펙트럼이라고 하는데, 다음 탐구를 통해 햇빛과 특정 기체의 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼을 확인해봅시다.

빛 스펙트럼

햇빛과 같은 백색광은 7가지 색깔이 연속한 스펙트럼으로 나타납니다.

반면, 특정원소의 방전관 빛의 스펙트럼은 측정한 위치에서만 밝은색 선이 나타나는데, 원소가 달리지면 다른 파장의 빛이 나와 스펙트럼에서의 선의 위치가 달라집니다.

특정원소의 선 스펙트럼

이전까지 나온 러더퍼드의 원자 모형으로는 특정 원소의 스펙트럼이 이렇게 선 스펙트럼으로 나타나는 까닭을 설명할 수 없었습니다.

보어는 수소 원자의 스펙트럼을 설명하기 위해서 몇가지 가설을 세우고, 이를 바탕으로 새로운 원자 모형을 제안하였습니다.

 

하나 원자핵 주위의 전자는 특정한 에너지를 가지는 궤도인 전자 껍질을 따라서 원운돌을 하며, 이 에너지 궤도를 차례로 K, L... 전자 껍질로 정한다.

둘 전자가 일정한 궤도를 돌고 있을때에는 에너지가 달라지지 않으며, 에너지를 흡수하거나 방출하면 전자의 궤도가 달라진다.

보어의 가설

일반적으로 원자의 전자들은 에너지가 가장 낮은 상태에 있으며 이를 바닥 상태라고 칭합니다.

바닥 상태에 있는 원자의 전자가 에너지를 흡수하면 더높은 에너지 상태로 옮겨 가는데 이 상태를 들뜬상태라고 합니다.

들뜬 상태의 전자는 상대적으로 불안정하므로 낮은 에너지 상태의 궤도로 되돌아가려 하며, 이때 두 궤도의 에너지 차이만큼을 빛으로 방출해 선 스펙트럼이 나타납니다.

 

그런데 네온, 수은과 같이 전자가 2개 이상인 다전자 원자의 스펙트럼을 살펴보면 수소 원자 스펙트럼보다 선의 수가 많고, 선들이 무리지어 있는것을 살펴볼수 있습니다.

이것은 하나의 전자 껍질속에 조금씩 다른 에너지 상태가 있음을 의미 합니다.

따라서 하나의 궤도라고 주장 했던 보어 모형을 모든 원자에 보편적으로 적용 할 수 없으며, 그에 따라 원자에 대한 새로운 모형의 필요성이 대두 되었습니다.

 

3)현대 원자 모형과 오비탈

현재 원자 모형에서는 전자의 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수 없으므로 특정 위치 에서 전자가 존재할 확률로 나타내는데, 이를 오비탈이라고 합니다.

오비탈은 원자핵 주위에서 전자가 발견될 확률분포를 구름과 같은 모양으로 시각적으로 그려 나타낸 것입니다.

그러나 핵에서 아주 멀리 떨어진 곳에서도 전자가 발견될 확률이 0이 아니기떄문에 원자의 경계와 크기를 정확하게 정할수 없습니다.

따라서 일반적으로 전자가 발견될 확률이  90%가 되는 곳을 경계면으로 하여 오비탈로 나타냈습니다.

현대 원자 모형

 

4)오비탈과 양자수

수소와 달리 네온과 수온의 선 스펙트럼이 여러 개 선들이 무리지어진 모습으로 나타나는 것은 다전자 원자에서 각 전자 껍질 속에 조금씩 다른 에너지 준위를 가진 오비탈들이 존재하기 떄문입니다.

그리고 이오비탈들을 구분하기위해서 에너지, 크기, 모양, 좌표축에서의 방향을 나타내는 요소들이 존재하는데, 이를 양자수라고 합니다.

오비탈의 모양

1. 주양자수(n)는 오비탈의 에너지와 크기를 결정하는 양자수입니다.(정숫값을 가지며, 값이 커질수록 에너지와 오비탈의 크기도 커지고, 전자는 핵으로부터 더 멀리 떨어진다.
2. 방위 양자수(l)는  오비탈의 3차원적 모양을 결정하는 양자수로, 부양자수라고도 합니다.(주 양자수가  n인 오비탈은 방위 양자수를 l=0,1,2...(n-1)까지 가질 수 있습니다.방위 양자수는 s,p,d,f등의 문자로 나타내는데 l 값이 0이면 s,l 값이 1입니다)
3. 자기 양자수(ml)는 핵 주위의 오비탈이 어떤 방향으로 존재하는지 와 관련된 양자수로, -l.....0.....+l의 정수값을 가진다. 따라서 방위 양자수가 l인 오비탈은 (2l+1)개의 서로 다른 공간 배치를 가지게 되며, 공간상에서 방향은 서로 다르지만 에너지가 같다.(에너지 크기는 같지만 방향이 다른 px,py,pz 오비탈이 존재한다)
4. 스핀 자기 양자수(mz)는 외부 에서 강한 자기장을 걸어 주었을 때 원자의 자기 상태가 위쪽과 아래쪽, 두방향으로 나누어지는 것과 관련된 양자수입니다.(스핀 자기 양자수를 나타낼 때는 방향에 따라 각각 Mz=+1/2 또는 -1/2 입니다.

 

 

전자가 한개 뿐인 수소 원자 오비탈의 에너지 준위는 주양자수에 의해서만  결정됩니다.

수소 원자의 오비탈 에너지 준위

그러나 전자 2개 이상인 다전자 원자의 경우에는 주양자수뿐만 아니라 방위양자수도 에너지 준위를 결정하는 데 영향을 미칩니다.

따라서 여러 개의 전자들 가진 원자 오비탈의 에너지 준위는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

전자 2개 이상인 다전자 원자의 오비탈 에너지 준위

 

 

03. 전자 배치

1) 전자 배치 규칙

전자는 원자의 화학적 성질을 결정하는 데 중요한 역활을 하므로, 전자 배치 역시 매우 중요한 의미를 가진다.

실제 안정한 상태의 원자들을 살펴 보면 다음과 같은 규칙에 따라 전자가 순차적으로 배열되어 있음을 알수 있습니다.

전자배치 규칙

 

쌓음 원리는 전자는 에너지 준위가 낮은 오비탈에서부터 높은 오비탈로 차례로 채워진다.

파울 배타 원리는 같은 원자에는 네가지 양자수가 모두 같은 전자가 존재할 수 없다.

즉, 하나의 오비탈에 배치되는 2개의 전자는 스핀 방향이 다르다.

훈트 규칙: 에너지가 같은 오비탈에 전자가 채워질 때는 가능한 한 짝을 짓지 않는 방법으로 배치된다.

전자 배치

오비탈에서 쌍을 이루지 않은 저자를 홀전자라고 합니다.

또, 원자의 가장 바깥 전자 껍질에 들어 있어 화학 반응에 참여하는 전자를 원자가 전자라고 하는데, 원자가 전자는 그 원소의 화학적 성질을 결정합니다.