general chemistry i (chapter molecules ions

General Chemistry I(Chapter 2‐1)

Atoms, Molecules & Ions

Tae Kyu Kim

Department of Chemistry

Rm. 301 ([email protected])

http://plms.pusan.ac.kr

1

일정 성분비의 법칙이란 무언인가?

배수 비례의 법칙이란 무엇인가?

주어진 화합물 내에서 원소들의 질량비가 항상 동일함

두 원소가 서로 다른 일련의 화합물을 형성할 때, 첫 번째 원소 1g과 결합하는 다른 원소의 질량비는 항상 간단한 정수

Questions?

원자는 무엇으로 이루어져 있는가?전자 + 핵 (양성자 + 중성자)

전자 수는 같지만 질량수가 다른 것을 무엇이라 하는가?동위 원소

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Terminology

• 질량 보존의 법칙 : law of conservation of mass• 일정 성분비의 법칙 : law of definite proportion• 배수 비례의 법칙 : law of multiple proportion• 전자 : electron• 방사능 : radioactivity• 핵 : nucleus• 양성자 : proton• 중성자 : neutron• 원자 번호 : atomic number• 질량수 : mass number• 동위원소 : isotope

3

Atom & Molecule

ATOMS

MOLECULES

MATTERS

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Elements & Compounds

5

Elements & Compounds

6

Early history of chemistry

A. Demokritos (B.C. 460-370)

C. Boyle (1627-1691)

물질은 쪼개질 수 없는 작은 입자가 모여 된 것

이 궁극적인 입자를 atomos (나중에 atoms가 됨)라고 함

B. Alchemy (연금술)값싼 금속을 금으로 변화시킬 수 있다는 생각

2000년간 지속, but 화학의 진보

진정한 의미의 정량적인 실험을 최초로 실시

공기의 압력과 부피의 관련성을 측정

어떤 물질이 두 가지 이상의 더 단순한 물질로 분해 되지 않는다면 그물질이 바로 원소

7

A. 질량 보전의 법칙: Lavoisier (1743-1794)

Fundamental chemical laws

연소 반응을 최초로 규명

물질은 창조되지도, 소멸되지도 않음(질량 보존의 법칙, law of conservation of mass)을 주장

연소 과정에서 산소가 관여하고, 생명 현상에도 산소가 포함된반응이 중요

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Fundamental chemical lawsB. 일정 성분비의 법칙: Proust (1754-1826)

주어진 화합물 내에서 원소들의 질량비가 항상 동일함을 알아냄

(예: 탄산 구리에서 구리, 산소, 탄소의 질량비는5.3 : 4 : 1로 일정)

화합물이 일정한 조성을 가짐(일정 성분비의 법칙, law of definite proportion)

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C. 배수 비례의 법칙: Dalton (1766-1844)


원소들을 이루는 입자는 바로 원자 (원자론)

만일 원소가 작은 입자로 구성되어 있다면, 특정 화합물 내에있는 원자들의 조합은 항상 일정

화합물 II가 화합물 I에 비해 탄소1g당 두 배의 산소를 갖고 있음을알아 냈는데 이것은 원자의 개념으로 쉽게 설명 가능

배수 비례의 법칙 (law of multiple proportion) (두 원소가 서로 다른 일련의 화합물을 형성할 때, 첫 번째 원소 1g과 결합하는 다른 원소의 질량비는 항상 간단한 정수

원자들 간의 가장 근본적인 차이점은 질량이라고 가정하고,원자의 상대 질량표를 최초로 만듦

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D. 배수 비례의 법칙의 예


A, B, C가 갖는 질소의 질량비는4 : 2 : 1

상대 질량 자료로부터 화합물의 정확한 화학식을 유도할 수는 없었음

각 원소가 일정 원자로 이루어지고, 각 화합물은 이러한 원자의 조합으로 형성된다는 그의 가정을 뒷받침

11

Dalton’s atomic theory

A. Dalton의 원자론

1. 각 원소는 원자라고 하는 작은 입자로 이루어짐

2. 한 가지 원소의 원자는 모두 동일 (질량 및 다른 성질)

3. 화합물은 다른 원소의 원자들이 서로 결합함으로써 형성됨

4. 화학 반응은 원자들이 재편성되는 과정 (원자는 변하지 않음)

원소 vs. 원자 = 종류 vs. 갯수

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B. Dalton의 원자론의 문제점

1. 기체 반응의 법칙

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B. Avogadro의 가설 (분자 가설)

동일한 온도와 압력 조건에서 동일한 부피 속에 존재하는 기체

입자의 수는 기체의 종류와 상관 없이 일정

수소 2 부피와 산소 1 부피가 반응하여 수증기 2 부피가 된다는

Gay-Lussac의 실험 결과는 수소 2 분자와 산소 1 분자가 반응하여

수증기 2 분자를 만드는 것으로 설명 가능

이 실험 결과는 수소, 산소, 염소가 H2, O2, Cl2라고 가정하면 잘 설명

분자 수준의 기체 결합 방식의 도시

기체 입자 간의 거리

가 입자 크기에 비해

월등히 클 경우 => 기

체의 부피는 입자의

크기가 아니라 분자수

에 의해 결정

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A. Electron (전자)

Early experiments to characterize the atom

진공관에 높은 전압이 가해지면“광선”이 발생하는 것을 발견

이 광선은 음극에서 방출되므로음극선(cathode ray)로 명명

광선이 음으로 대전된 입자, 즉 전자의 흐름이라고 생각

전자의 전하/질량

e는 전자의 전하량 (쿨롱 단위, C), m은 전자의 질량 (g)

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B. Thomson의 원자 구조 설명


전자가 다양한 종류의 금속 전극으로부터 발생될 수 있으므로 모든 원자는전자를 갖고 있어야 한다고 추론

원자는 전기적 중성 => 원자는 양전하 포함

퍼져 있는 양전하 구름에 음전하를 띤 전자가 무질서하게박혀 있는 모양으로 원자의 구조를 제안

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C. Millikan의 전자 전하량 측정


대전된 기름 방울 이용하여 전자의 전하량 측정

측정한 전하량 값과 Thomson이 측정한 전하/질량비를 이용하여 전자의 질량이 9.11x10-31kg이라 계산

이 전압과 기름 방울의 질량을 사용하여 기름 방울이 띠는 전

하를 계산

기름 방울이 띠는 전하량은 언제나 전자의 전하의 정수배.18

D. Atomic structure (Rutherford 실험)


대부분의 알파 입자는 똑바로 박막을 관통해 지나갔지만, 많은 입

자들이 큰 각도로 굴절되거나 검지기에 도달하지 못하고 반사

C. Radioactivity (방사능)일부 원소들로부터 높은 에너지의 방사 (radiation): 방사능(radioactivity)라 부름

감마선(빛의 일종), 베타 입자(빠른 속도의 전자), 알파 입자(2+의 전하와 전자 질량의 7300배의 질량)

19


20


알파 입자들이 크게 굴절되려면 원자의 질량과 양전하가 중앙에 집중되어 있어야만 가능

굴절된 알파 입자들은 원자의 양전하와 질량이 집중된 영역을가까이 지나간 경우이고, 반사되어 튕겨져 나온 입자들은 정통으로 중심부에 충돌한 것

핵 (nucleus)이 있고, 핵의 지름에 비해 매우 먼 거리를 떨어져핵 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있는 원자

21

A. 원자 구조

Modern view of atomic structure

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B. 원자 vs. 화학적 성질


서로 다른 원소의 원자들은 양성자와 전자의 수가 다르기 때문에 서로 다른 화학적 특성을 나타냄

전자는 원자 부피의 대부분을 차지하고 있으며, 원자가 결합하여 분자를 이룰 때 “서로 섞이는” 부분

어떤 원자가 갖는 전자수는 다른 원자와 상호 작용하는 능력에 큰 영향

질량수(mass number) = 양성자(proton) 수 + 중성자(neutron) 수

원자 번호(atomic number) = 양성자(proton) 수 = 전자 수

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C. Isotope (동위 원소)


중성자의 수가 서로 다른 원자가 존재 (동위원소)

동일한 수의 양성자를 가지고 있지만, 다른 수의 중성자를 가지고 있음

원자의 화학적 특성은 그 전자에 의하여 결정되기에 동위원소

들은 거의 동일한 화학적 특성 갖음

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기본적인 화학의 법칙질량 보전의 법칙: 화학 반응 전/후의 총 질량은 일정일정 성분비의 법칙: 화합물 내 원소들의 질량비는 일정배수 비례의 법칙: 한 원소와 결합하는 다른 원소의

질량비는 정수Dalton의 원자론화학반응: 원자들의 재편성 과정Avogadro 가설: 같은 온도, 압력, 부피에서 입자 수는

일정

원자에 대한 초기 실험들Thomson의 원자 모델: 전자 + 양전하 구름Rutherford의 원자 모델: 전자 + 핵

원자 구조에 대한 현대적 관점원자: 핵 (양성자 + 중성자) + 전자질량수: 양성자 수 + 중성자 수

Summary

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General Chemistry I(Chapter 2‐2)

Atoms, Molecules, & Ions

Tae Kyu Kim

Department of Chemistry

Rm. 301 ([email protected])

http://plms.pusan.ac.kr

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기본적인 화학의 법칙질량 보존의 법칙: 화학 반응 전/후의 총 질량은 일정일정 성분비의 법칙: 화합물 내 원소들의 질량비는 일정배수 비례의 법칙: 원소와 결합하는 원소의 질량비는 정수

Dalton의 원자론화학반응: 원자들의 재편성 과정Avogadro 가설: 같은 온도, 압력 부피는 분자수에 비례

원자에 대한 초기 실험들Thomson의 원자 모델: 전자 + 양전하 구름Rutherford의 원자 모델: 전자 + 핵

원자 구조에 대한 현대적 관점원자: 핵 (양성자 + 중성자) + 전자질량수: 양성자 수 + 중성자 수

Review (2.1‐2.3)

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A. Formation of Molecule→ Chemical Bonding

B. Ionic Bonding (이온결합) → 금속+비금속C. Covalent Bonding (공유결합) → 비금속사이

D. Periodic Table (주기율표)

E. 화합물의명명법은?

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Questions?

Terminology

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2.4주기율표 → periodic table주기 → period족 → group(family)금속 → metal비금속 → nonmetal준금속 → metalloid알칼리금속 → alkali metal알칼리토금속 → alkaline earth metal할로겐 → halogen불활성기체 → noble(rare) gas

2.5분자 → molecule이온 → ion양이온 → cation음이온 → anion

2.6화학식 → chemical formula분자식 → molecular formula구조식 → structural formula실험식 → empirical formula이온결합 → ionic bonding(bond)

2.7산 → acid염기 → base유기화합물 → organic compound무기화합물 → inorganic compound탄화수소 → hydrocarbon

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32

Molecules and ions

A. Chemical bonds (화학 결합)

C. Molecule (분자)

B. Covalent bonds (공유 결합)전자를 공유하여 형성된 원자 사이의 결합

공유 결합으로 형성된 원자의 집합체

분자로 이루어진 화합물에서 각 분자는 독립적인 단위체로 움직임

화합물 내에서 원자들이 붙어 있도록 잡아 두는 힘

D. Chemical formula (화학식)

원자의 종류를 원소 기호로, 원자들의 수를 아래 첨자로 나타내는 분자를 표현하는 방법

예: 이산화탄소 (CO2), 수소 (H2), 물 (H2O), 산소(O2), 암모니아(NH3), 메테인 (CH4) 33

Molecules and ions

E. Structural formula (구조식)

각 결합을 선으로 표현하는 분자를 표현하는 방법

공간 채움 모형 (space-filling model): 원자들의 상대적인 위치뿐 아니라, 상대적인 크기도 나타낼 수 있는 분자의 구조식을 나타내는 방법

공-막대 모형 (ball-and-stick model): 원자를 공으로 공유 결합을막대로 나타낸 분자의 구조식을 나타내는 방법

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Molecules and ions

F. Ion (이온)

반대로 대전된 이온 간에 작용하는 인력에 의해 형성된 결합

F. Ionic bonds (이온 결합)

양전하 (양이온) 또는 음전하(음이온)를 띠는 원자 또는 원자단

Na Na+ + e- Cl + e- Cl-

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Molecules and ions

이온성 고체 (ionic solid) 또는 염 (salt): 상반된 전하를 띠는 이온으로형성된 고체. 예: NaCl (염화소듐), NH4NO3 (질산암모늄)

NH4NO3는 NH4+(암모늄 이온)과 NO3

-(질산 이온)과 같은 다원자 이온으로 구성

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Ionic Bonding

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Strength

2e‐ 10e‐ 18e‐…

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Covalent BondingCovalent bonds form when elements share electrons, which usually occurs

between nonmetals.

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Covalent Bonding

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A. Periodic table (주기율표)

Introduction to the periodic table

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각 원소 기호 위쪽의 숫자는 그 원소의 원자 번호 (양성자 수)

굵은 선 왼쪽 아래는 금속, 굵은 선 오른쪽 위는 비금속, 경계에는 준금속

비금속은 금속과의 반응에서 전자를 얻어 음이온을 형성하려는 경향

유사한 화학적 성질을 갖는 원소들은 동일한 수직열 (그룹(group) 또는 족(family)).

족을 표시할 때에는 두 가지 방법:1A에서 8A까지의 기호는 전통적인 표기법1에서 18까지 표기하는 방식은 최근에 제안된 것이 책에서는 1A~8A의 표기법 사용

B. Group or family (그룹 또는 족)

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할로겐(7A족: F, Cl, Br, I): 이원자 분자를 형성하며, 금속과 반응하여염을 이룰 때는 -1의 전하를 띠는 음이온 형성

주기율표에서 수평행을 주기(period)라고 함


C. Period (주기)

알카리 금속(1A족: Li, Na, K): 매우 높은 반응성. 다른 비금속과 반응하여 쉽게 +1의 전하 띠는 이온 형성.

알카리 토금속(2A족: Be, Mg, Ca): 비금속 원소와 반응할 때, 모두+2의 전하를 띠는 이온 형성

불활성 기체(8A족: He, Ne, Ar): 단원자 기체로 존재. 화학적 반응성거의 없음

H와 He이 있는 첫 번째 행을 1주기Li부터 Ne까지의 두 번째 행을 2주기

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A. 이성분 이온 결합 화합물 (형태 I)

Naming simple compounds

1. 음이온 먼저, 양이온 나중

2. 양이온은 원소의 이름을 그대로 사용

3. 음이온은 어근에 “화”를 붙임

금속들이 한 종류의 양이온 만을 형성

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B. 이성분 이온 결합 화합물 (형태 II)

Naming simple compoundsNaCl 염화 소듐 MgO 산화 마그네슘

금속들이 두가지 이상의 양이온을 형성

MnO2 산화 망가니즈(IV)

PbCl2 염화 납(II)

전이 금속이지만, 한 종류의 양이온만 가능

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C. 로마 숫자가 불필요한 원소

+1 이온만을 형성하는 1A족 원소

+2 이온만을 형성하는 2A족 원소

Al3+만이 가능한 알루미늄

은의 경우는 전이 금속이지만 거의 모든 화합물에서 Ag+로 발견되므로 로마 숫자 사용 않음(예: AgCl: Silver chloride)

아연, 카드늄 화합물도 로마 숫자 사용 않음(∵Zn2+, Cd2+ 이온 만이 가능)

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D. 다원자 이온을 갖는 이온 결합 화합물 암기

산소 원자가 많은 것: -ate산소 원자가 적은 것: -ite

두 종류산소 원자가 가장 적은 것: hypo-산소 원자가 가장 많은 것: per-

두 종류 이상

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E. 이성분 공유 결합 화합물 (형태 III)

1. 양이온을 원소 이름 그대로 먼저 부름

2. 두번째 원소를 음이온 부르듯이 부름

3. 원자의 개수는 접두어를 붙여 사용

4. 첫번째 원소에는 mono- 를 사용하지 않음

N2O Dinitrogen monoxide Nitrous oxide

NO Nitrogen monoxide Nitric oxide

NO2 Nitrogen dioxide

N2O3 Dinitrogen trioxide

N2O4 Dinitrogen tetroxide

N2O5 Dinitrogen pentoxide

o 또는 a는 원소가 모음로시작할 때 표기하지 않음

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Naming simple compounds일부 화합물들은 체계적 이름을 사용하지 않고 항상 일반 명칭을 사용 (예: water, ammonia)

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F. 이름으로부터 화학식 결정하기

Calcium chloride Ca2+ + Cl- CaCl2 (전기적 중성 고려)

Iron(II) oxide Fe2+ + O2- FeO (전기적 중성 고려)

G. 산음이온이 산소를 갖고 있지 않다면 분자의 이름을 쓴 후 음이온에 hydro-를 접두사로, -ic을 접미사로 붙이고 acid를 붙임

HCl 수용액: hydrochloric acidHCN 수용액: hydrocyanic acidH2S 수용액: hydrosulfuric acid

음이온이 산소를 갖고 있으면 –ic, 또는 –ous를 붙이고 acid를 붙임

1. sulfate SO42-와 같이 –ate로 끝나는 음이온을 포함하면 sulfuric acid

phosphate => phosphoric acid, acetate => acetic acid

2. 음이온이 –ite로 끝나면 –ous로 대치함 (sulfite SO32- => sulfurous

acid, nitrite => nitrous acid) 51


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분자와 이온공유 결합: 전자를 공유하여 형성된 원자 사이의 결합이온 결합: 이온 간에 작용하는 인력에 의해 형성된 결합분자: 공유 결합으로 형성된 원자의 집합체

주기율표에 대한 소개금속, 비금속: 원자가 양이온 or 음이온으로 되려는 경향족(그룹) vs. 주기: 주기율표 상의 세로 vs. 가로

간단한 화합물의 명명법이성분 이온 결합 화합물: NaCl, sodium chloride이성분 이온 결합 화합물: MnO2, manganese(IV) oxide이성분 공유 결합 화합물: N2O3, dinitrogen trioxide

Summary

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general chemistry i (chapter molecules ions

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