원자, 분자, 이온, 동위원소의 구조
원자, 분자 및 이온
가. 원자의 구조
원자는 물질을 구성하는 가장 작은 입자(Dolton이 제창)이며 양(+)으로 하전된 핵과 그 주위를 전자라고 불이우는 음(-)으로 하전된 입자가 둘러 싸고 있는 형태로 되어 있다. 양전하와 음전하의 수가 동일하므로 원자가 지닌 전체 전하는 전기적으로 중성이다.
원자의 질량은 거의 전부가 핵에 치중되어 있으며 전자 한개의 질량은 가장 가벼운 수소원자의 핵의 질량의 1/1836에 해당된다. 비록 원자핵이 무겁다고 하지만 원자의 전체 크기에 비하면 그 크기는 매우 작다. 대표적인 원자의 반지름이 약 1 내지 25옹스트롬(Å)인데 비해 원자핵의 반지름은 약 10-5 Å이 된다. 원자를 지구에 비유한다면 원자핵은 작은 축구운동장보다 작아 직경이 200피트에 불과한 땅덩어리에 지나지 않는다
표(물질의 기본입자)
| 입 자 | 전 하 | 질 량(amu) |
| 양성자 중성자 전 자 | +1 0 -1 | 1.00728 1.00867 0.000549 |
원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있다. 양성자와 중성자의 질량은 거의 같지만 전하는 다르다. 중성자는 전하를 띠고 있지 않으며 양성자는 양전하를 띠고 있으며 양전하는 음전하를 띠고 있는 전자와 꼭 균형을 이루고 있다.
위의 표에는 기본 입자들이 지닌 전하와 원자 질량단위로 표시한 질량을 나타내었다 원자질량단위(amu)는 핵 속에 여섯 개의 양성자와 여섯 개의 중성자를 지니고 있는 탄소원자 질량의 정확한 1/12로 정의 된다 이 척도로 계산하면 양성자와 중성자는 정확하지는 않지만 1amu에 아주 가까운 값을 갖게 된다 즉, 6.022 × 1023amu 가 1그람(g)에 해당된다. 이 수치를 Avogadro수, N이라고 부른며 다시 뒤에서 언급하겠다
어떤 원자의 핵에 존재하는 양성자의 수를 그 원자의 원자번호 라고 부르며 원자는 전기적으로 중성이므로 원자번호는 원자핵을 둘러싸고 있는 전자의 수와 같다. 원자의 질량수는 원자핵을 구성하고 있는 무거운 입자들 즉, 양성자와 중성자의 총수와 같다. 두 원자가 화학반응을 하기 위해서 서로가 결합하기 위해 충분히 가까운 거리에 접근하게 되면 상대방 원자의 가장 바깥 궤도함수에 있는 전자들 만을 보게 된다 따라서 제일 바깥 궤도함수에 속한 전자들이 그 원자의 화학적 성질을 규정짓는 가장 중요한 요인이 된다.
핵 속에 있는 중성자는 그 원자의 화학적 성질에는 별로 영향을 주지 않지만 중성 원자에서 핵을 둘러 돌고 있는 전자의 수가 몇 개인가를 결정지어 주는 양성자는 화학적 성질을 규명하는에 중요한 역학을 한다. 같은 원자번호를 갖는 모든 원자들은 화학적 성질이 거의 같고 같은 화학 원소로 분류된다
․양성자 - 양전하를 가지며, 그 질량은 수소원자의 질량과 거의 같다.
․중성자 - 전하를 갖지 않으며, 그 질량은 양성자의 질량과 거의 같다.
․전 자 - 양성자의 전하와 같은 크기의 음전하를 가지며, 질량은 양성자의 1/1840 에 지나지 않는다.
원자가 쪼개지면 양성자, 중성자, 중간자, 전자, 광자, 반양자 등 미세한 입자가 나누어지는데 이를 총칭하여 소립자라고 하며, 원소의 원자번호(atomicnumber)는 핵속의 양성자수를 말한다.
나. 동위원소
한 원소의 모든 원자들은 같은 수의 양성자를 갖고 있지만 그것들이 갖고 있는 중성자의 수가 다른 경우도 있다. 이와 같이 어떤 원소의 서로 다른 원자들을 동위원소라고 부른다 즉, 양성자 수는 같으나 중성자 수가 다른 원소이며 또한 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소를 말한다. 동위원소는 전자수가 같아서 화학적 성질은 같으나 물리적인 성질이 다른원소이다.
예) 수소(H)의 동위원소는 수소(1H1), 중수소(1D2), 삼중수소(1T3)
문제) 우라늄-238 원자에는 몇 개의 양성자, 중성자, 그리고 전자가 있는가? 이 동위원소를 기호로 표기하라
해설) 우라늄의 원자번호는 92이고 이 동위원소의 질량수는 238이다. 그러므로 이 원소는 92개의 양성자, 92개의 전자 및 146(238-92 = 146)개의 중성자를 갖고 있다 기호는 238U92 혹은 238U이다.
다. 분 자
기본입자들로부터 원자가 형성되는 과정은 물리학자들에게는 흥미있는 과제이지만 물질 구성의 궁극적 단계를 논의할 때는 전혀 고려되는 것이 아니다. 한 원자가 다른 원자에 충분히 가깝게 접근되면 그 원자의 제일 바깥 전자는 다른 원자의 제일 바깥 전자와 상호작용할 수 있으며, 그 결과 두 원자를 충분히 묶어 놓을 인력이 일어나게 된다. 두 원자를 묶어 놓은 것을 화학결합이라고 한다. 가장 단순한 화학결합의 경우가 한 쌍의 원자들이 서로 전자를 하나씩 내놓고 내놓은 전자쌍을 나누어 차지하면서 이루어지는 결합이다.
전자를 서로 공유하면서 이루는 결합을 공유결합이라 하고 두 개 또는 그 이상의 원자들이 공유결합을 하면서 한 개의 단위로 묶여 있는 것을 분자라고 한다. 분자도형에서는 공유 즉, 전자쌍 결합을 결합된 원자들을 서로 연결하는 반직선으로 표시한다. 물 분자에서는 산소(O)원자 하나가 두 개의 수소원자와 결합되어 있다. 물분자를 나타내는 도형은 다음과 같이 두가지 방법으로 그릴 수 있다.
H ―― O ―― H
또는
O
∕ ∖
H H
두 번째 도형은 실제로 물분자가 직선형이 아님을 알려준다. 두 개의 H ― O 결합이 서로 105。의 각도를 유지하고 있음을 뜻한다. 분자의 종류는 다음과 같다
․단원자 분자 : 1개의 원자로 구성된 분자
예) He, Ne, Ar 등 불활성 기체
․이원자 분자 : 2개의 원자로 구성된 분자
예) N2, HCl, HF, CO, F2, Cl2, O2 등
․삼원자 분자 : 3개의 원자로 구성된 분자
예) H2O, O3, CO2, 등
․고분자 : 다수의 원자로 구성된 분자
예) 녹말, 수지 등
라. 이 온
중성인 원자가 전자를 잃거나(양이온), 얻어서(음이온), 전기를 띤 상태를 이온이라 하며 양이온, 음이온, 라디칼(Radical)이온으로 구분한다.
즉, 원자들의 상대적인 전기음성도로서 원자가 전자를 끄는 힘은 그 원자의 성질을 설명하는데 매우 중요하다. 예를들어 나트륨 원자(일반적으로 모든 금속들)는 전자를 약하게 잡고 있는 반면에 염소 원자는 센 전기음성도를 지니고 있다. 소금분자(염화나트륨, NaCl)에서 각 나트륨 원자(Na)는 전자(e-) 하나를 잃어 나트륨 이온, Na+를 형성하고 각 염소원자 들은 전자 하나를 얻어 염소이온, Cl-로 된다.
Na → Na+ + e- , ½Cl₂ + e- → Cl-
유리된 염소가스는 유리된 염소원자가 아닌 2원자(두-원자)분자로 존재하므로 ½Cl2 로 표기한다. 일반적으로 금속은 하나에서 셋에 이르는 전자를 쉽게 잃어 양전하를 띤 이온 즉,양이온이 된다
Li ―→ Li+ ＋ e- 리튬이온
Na ―→ Na+ ＋ e- 나트륨이온
K ―→ K+ ＋ e- 칼륨이온
Mg ―→ Mg2+ ＋ 2e 마그네슘이온
Ca ―→ Ca2+ ＋ 2e 칼슘이온
반대로 어떤 비금속은 전자를 얻어 음으로 하전된 이온 즉, 음이온을 형성한다
½F2 ＋ e- ―→ F- 플오르화 이온
½Cl₂ ＋ e- ―→ Cl- 염화이온
½O2 ＋ 2e- ―→ O2- 산화이온
S ＋ 2e- ―→ S2- 황화이온
Mg2+ 혹은 S2- 와 같은 간단한 단순 - 원자의 전하를 그 원자의 산화상태 즉, 산화수라고 한다 산화수는 그 이온을 중성으로 환원시키기 위해 더해 주어야 하는 전자의 수(산화되기 위해 제거되었던)를 말한다.
환원 : Mg2+ ＋ 2e ―→ Mg
산화 : S2- ―→ S ＋ 2e-
원자로부터 전자를 제거하던가 원자가 전자를 잃는 것을 산화라고 한다. 원자에 전자를 더 하든가 단순히 원자에 전자를 이동시키는 현상을 환원이라고 한다
문제) 염화이온을 형성하기 위해서는 염소가 산화되었을까 또는 환원되었을까? 이 이온의 산화상태는?
풀이) 염화이온을 형성하기 위해 염소원자 한 개당 한 개의 전자가 첨가되었으므로 염소는 환원되었다. 염화이온, Cl-는 산화상태가 -1이다.
※ 라디칼(Radical, 원자단, 기)이온 : 2개 이상의 원자가 결합되어 있는 것이 전하를 띤 이온(+, -)으로 되는 것
예) NH4＋, SO4－2, OH-1 등
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