시리즈:화포자도 쉽게 알 수 있는 화학

화학이 정말 쉬워서 저 화포자 그만둡니다.

문서의 내용이 너무 쉬워서 머리속에 쏙쏙 들어옵니다.

이 문서는 쉽게 알 수 있다 시리즈이며, 집단연구 문서입니다.

이 문서에는 독자적으로 연구한 내용이 들어갑니다. 다른 사람의 의견을 존중하면서 무례하지 않도록 작성해 주시고, 의견 충돌 시 토론 문서에서 토론해 주세요.

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들어가기 전

이 항목은 화포자도 이해할 수 있는 화학 개념을 적어 보는 집단 연구 문서이다.

화학을 처음 접한 사람을 멘붕에 빠뜨리는 내용 위주로 서술하는 게 좋을 듯하다. 각 항목의 마지막에는 가능하면 세줄요약 정도로 정리해 두자. 대략적인 수준은 고등학교 화학~대학교 일반화학 정도가 좋을 듯. 적극적인 추가바람

• 편집의 방향성
  • 현재 목차 구성은 임시로 교재의 단원별 구성을 참고하였습니다. 나중에 학문별 하위분류로 바꿔 주세요. 화학 전공자 여러분의 적극적인 참여 바랍니다.
  • 딱딱한 용어나 서술을 쉽게 풀어쓰는 편집도 환영합니다.
  • 수식은 보는 사람을 겁먹게 합니다. 수식을 꼭 넣어야 하는 상황일 때는 되도록이면 펼치기/접기를 이용해서 위키러의 멘탈을 안심시켜 주세요.
  • 현재 이 문서는 '범위는 일반화학까지, 설명은 고등학교 화학책처럼 친절하게'를 모토로 하고 있습니다.

테크트리

• 고등학교 화학 1 내용: → → → →
• 고등학교 화학 2 내용: → → → →

기초적인 내용

• 물질의 세 가지 상태: 고체solid는 s, 액체liquid는 l, 기체gas는 g로 괄호 안에 표시한다.

예시) 고체 칼슘 Ca(s)

• 순물질과 혼합물

주기율표는 왜 외우나요?

히익 몇주전만 해도 저 표의 가운데가 다 붉은 색이었건만.... 대부분의 선생님들이 화학을 처음 배울 때 외우라고 하는 것이다. 학생들 입장에서는 크고 아름다운스케일에 주눅이 들게 되고, 화학을 하기 싫어지는 첫 번째 이유가 된다. 하지만 어떤 원소의 원자번호, 주기(가로줄), 족(세로줄)은 전부 중요한 성질을 가지고 있으며 그 중 1번~20번까지의 원소는 매우 자주 나오므로 외우는 게 좋다. 외우지 않으려고 해도 계속 화학을 하다 보면 외워질 수밖에 없다.

주기율표를 처음 보면 굉장히 낯설다. 1~18족(세로줄)까지의 원소가 있는데, 1번(수소)~20번(칼슘)까지의 원소는 1, 2, 3, 4… 이런 식으로 배치가 된 게 아니라 1, 2, 13(!), 14,… 순으로 진행된다(미국식 표기라면 1A~8A, 1B~8B얘들도 순서 되게 이상하다로 되어 있을 것이다). 그리고 밑에는 58~71번, 90~103번까지의 원소가 이상하게 따로 분리되어 있다. 일단 가장 거슬리는 건 2족과 13족 사이의 텅 빈 공간이다.

주기율표를 외울 때는 아무 의미가 없어 보여도, 나중에 화학을 배워나갈수록 배치나 숫자 하나하나가 중요한 의미를 담고 있다는 걸 알게 된다. 주기율표가 왜 저런 모양인지도 알 수 있다. 이런 걸 알아가는 것도 화학의 재미라고 볼 수 있다. 더 자세한 내용은 뒤에 나올 주기율표 항목에서 설명한다.

이 세상에 원소가 118개밖에 없다는 걸 어떻게 알아요?

'이 지구상에 있는 원소는 118개 뿐이다'라는 말을 들으면 반감이 생길 것이다. "아니, 이 우주가 얼마나 넓은데, 우리 인간이 아직 발견 못 한 원소가 있을지도 모르잖아요?"라는 의문이 들 것이다.

일단 지금 계속해서 새로운 원소가 발견되는 중인 것은 맞다. 하지만, 새로 발견된 원소는 인공적으로 만들어진것들이며, 납을 기준으로 그 위의 원소들은 상대적으로 안정도가 떨어지는데, 가장 큰 이유는 중성자와 양성자의 비율을 맞추기 힘들어지기 때문인데, 양성자끼리는 서로 반발하고, 중성자는 상대적으로 쉽게 이탈할 수 있기 때문에 중성자와 양성자의 수가 많으면 극도로 불안정해지기 때문이다. 이 이상 파고들면 물리학의 영역이다 현재 인공적으로 합성된 많은 원소들은 단 몇초만에 혹은 몇 밀리초만에 소멸해버리기 때문에, 이들을 기초로 하여 더 큰 원자량을 가진 원소들의 생성확률은 더더욱 낮다고 생각을 할 수 있다.

매우 안정된 중성자와 양성자의 조합을 매직 넘버라고 하는데, 현재까지 이 조합에 속하는 원소로 알려진것은 헬륨, 산소, 칼슘, 니켈, 주석, 납이다. 이 다음으로는 운비헥슘이라고 불리우는 원소가 여기에 속했다고 알려져 있지만, 아직까지 만드는데 성공을 하지 못했고, 당연히 그 조건이 매우 까다롭기 때문에 쉽게 발견하긴 힘들것이다. 잊지 말자. 과학은 발견을 하는학문이지, 이게 절대적이라고 선을 긋는 학문이 아니다.

주기율표 외우는 방법.

대부분의 암기법은 1~20번 원소까지만 나와 있다. 그 이상은 이 단계에서 외울 필요가 없기 때문이다. 단, 원자번호에 상관없이 1족(알칼리 금속), 2족(알칼리 토금속), 17족(할로젠), 18족(비활성 기체)는 외워 두면 가끔 유용하다. 이것들도 나중에는 자주 봐서 외워지게 된다. 칼륨과 칼슘의 순서는 헷갈리니 조심할 것.

H(수소) He(헬륨) Li(리튬) Be(베릴륨) B(붕소) C(탄소) N(질소) O(산소) F(플루오린) Ne(네온) Na(나트륨/소듐) Mg(마그네슘) Al(알루미늄) Si(규소(실리콘)) P(인) [S(황) Cl(염소) Ar(아르곤) K(칼륨/포타슘) Ca(칼슘)

• 수헤리베비키니오프네나마알지펩시콜라칼칼신사
• 수헬리베붕탄질산플네나마알규인황염아르칼칼슘

그 외 더 많은 암기법은 추가바람

여담

Na은 나트륨이라고도, 소듐이라고도 읽는다. 대학교 가면 책에 죄다 소듐이라고 적혀 있어서 낯설 것이다.여기서 나이가 티가 난다 개편된 교육과정에서는 소듐, 포타슘이라고 한다 카더라 K도 칼륨, 포타슘 표기를 둘 다 쓴다. 왜 이렇게 되는지는 Na 항목과 K 항목 참고. 그리고 Si(규소)는 실리콘이라고 읽지만 우리가 흔히 아는 실리콘과 다르다!

주기율표는 힘을 들여 외울 필요가 없다. 그저 자주 사용하다가 보면, 화학을 더욱 깊게 공부하다 보면, 어느새 자신이 원자번호만 듣는다면 그 원소가 무엇인지, 위치가 어디인지, 오비탈의 바닥배치가 무엇인지, 또는 그 원자의 질량이나, 아니면 전기 친화도와 원소의 족, 반응성, 이온화 에너지와 그런 이온 결합시 어째서 다른 모습의 결합이 없는가에 대한 이유, 전기음성도, 원자가전자와 오비탈의 홀전자수와 같은 것들을 곧바로 말할 수 있다. 혹시, 주기율표를 아직도 외운다는 바보같은 생각을 가지고 있다면 묻겠다. 저기 나열된 것들을 모든 번호에 대해서 외울 수 있는가?

원자, 분자 및 이온

원자론

데모크리토스, 돌턴 돌턴의 가설

1. 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성되어 있다.
2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며, 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 같다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와는 서로 다르다.
3. 화합물은 두 가지 이상 원소의 원자로 이루어져 있다. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 혹은 간단한 분수이다.
4. 화학 반응은 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함한다. 다시 말해, 원자는 화학 반응에 의해서 생성되거나 없어지지 않는다.

원자의 구조

전자(톰슨, 음극선, 밀리컨), 방사선(알파, 베타, 감마선), 양성자(톰슨 건포도푸딩, 러더퍼드 알파입자 산란 실험), 핵, 중성자(채드윅)

원자 번호, 질량수 및 동위원소

원자 번호, 질량수, 동위원소 정의. 중수로 만든 얼음이 물에 가라앉는 사진.

주기율표

자세한 부분은 아래의 원소의 주기성 항목에 적자. 주기, 족, 금속, 비금속, 준금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 할로젠, 영족 기체에 대한 간단 설명.

분자와 이온

분자와 이온의 종류

화학식

분자식, 동소체, 구조식, 실험식, 이온 결합 화합물의 화학식

화합물은 어떻게 읽나요

슈토크 체계를 사용하기. 분자, 이온, 산, 염기의 명명, 수화물

• 산(acid)
  1. "-산(-ic acid)"에 산소 원자 한 개를 첨가할 때: 그 산을 "과...산(per... ic acid)"이라 부른다. 따라서 염소산(chloric acid, HClO₃)에 산소 원자 한 개를 첨가하면 과염소산(perchloric acid, HClO₄)이 된다.
  2. "-산(-ic acid)"에서 산소 원자 한 개를 제거할 때: 그 산을 "아...산(-ous acid)"이라 부른다. 따라서 질산(nitric acid, HNO₃)은 아질산(nitrous acid, HNO₂)이 된다.
  3. "-산(-ic acid)"에서 산소 원자 두 개를 제거할 때: 그 산을 "하이포아...산(hypo...-ous acid)"이라 부른다. HBrO₃이 HBrO로 될 때 이 산을 하이포아브로민산(hypobromous acid)이라 한다.
  • 산소산 음이온(oxanion), 즉 산소산의 음이온
    1. "-산(-ic acid)"에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 "-산 이온(-ate)"이 된다. 예를 들면, H₂CO₃에서 파생한 음이온 CO₃^2-은 탄산 이온(carbonate)이라 부른다.
    2. "야...산(-ous acid)"에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 "아...산 이온(-ite)"이 된다. 따라서 HClO₄에서 파생한 음이온 ClO₂^-은 아염소산 이온(chlorite)이라 부른다.
    3. 음이온에서 전부가 아닌 일부 수소 이온이 제거되었다면 남아 있는 수소 이온의 수를 그 음이온의 이름에 나타내야 한다.

유기화합물의 명명

알케인, 알카인, 알켄, 앞에 붙는 접두사(펜타, 헥사, 헵타, 옥타,...)

화학 반응에서의 질량 관계

원자 질량

평균 원자 질량 계산

질량 분석기

원리

실험식 결정법

원수

한계 시약

한계 시약, 초과 시약

열화학

나무를 태우면 열이 나고 물이 마르면 몸이 시원해지는 걸 우리가 알고 있듯, 화학 반응이 일어나면 열이 발생하거나 주위의 열을 흡수한다. 이런 열 발생과 흡수를 설명하는 분야가 열화학이다.

여기서 도입되는 개념이 엔탈피(enthalpy)라는 것이다. 정확한 정의는 물리 시간에 배우게 될 텐데, 고등학교 화학 수준에서는 엔탈피를 '물질이 갖고 있는 열 에너지' 정도로 이해하면 된다. 압력이 일정한 정압 과정에서 물질의 엔탈피 변화가 곧 열 발생/흡수량과 같기 때문이다.

불안정한 물질일수록 엔탈피가 높고, 안정한 물질일수록 엔탈피가 낮다. 마치 번지점프대 위로 높이 올라가면 불안해서 빨리 내려오고 싶어지는 것과 같다. 그래서 엔탈피가 높은 물질은 반응을 통해 엔탈피가 낮은 물질로 변화하려 하고, 그 엔탈피 차이만큼의 에너지가 번지-!! 하는 구호와 비명소리열로 방출된다. 반대로 엔탈피가 낮은 물질이 에너지를 받아 엔탈피가 높은 물질로 바뀔 수도 있다. 이 과정에서는 주위의 열을 흡수할 것이다. 마치 친구가 나를 강제로 번지점프대 위로 끌고 올라가 열이 받게 되듯이

그리고 헤스의 법칙이라는 것이 있다. 이것은 반응을 통해 방출/흡수되는 열의 양은 오직 처음 물질과 나중 물질의 엔탈피에 의해서만 결정된다는 것이다. 탄소를 태워서 이산화탄소로 만들면 열이 발생하는데, 탄소를 느리게 태우든 빠르게 태우든 탄소를 일산화탄소로 만들었다가 일산화탄소를 이산화탄소로 만들든 간에, 처음 물질은 탄소고 나중 물질은 이산화탄소다. 물질의 종류와 상태(압력, 온도 등)가 같으면 물질의 엔탈피도 같으므로, 어떤 방법으로 태우든 간에 처음과 나중 상태가 같으면 엔탈피 차이도 같고, 따라서 발생되는 열의 크기도 같다. 스트레스를 많이 받은 상태에서 스트레스를 게임으로 풀든, 위키질로 풀든, 즐거운 화학 문제를 풀면서 풀든 어? 어떤 방법이든 최종적으로는 현자타임 스트레스가 풀린 상태에 이르는 것과 마찬가지다. 이걸 좀 있어 보이는 말로 설명하면, '반응열의 총합은 반응 경로에는 무관하고, 처음과 나중 물질의 상태에 의해서만 결정된다' 고 한다. 화학 반응의 열 발생량을 알기 위해 그 반응 과정을 전부 알 필요 없이, 처음과 나중 물질의 상태만 알면 되니까 무척 편리하다.

책에는 특정 온도와 압력에서 각 물질들의 엔탈피가 적혀 있는 표가 있다. 이런 표는 탄소, 수소, 산소 등 안정한 물질 몇 개를 골라 그것들의 엔탈피를 0 이라고 잡고, 이산화탄소, 물 등의 물질들의 엔탈피가 이런 안정한 물질들과 얼마나 차이가 나는가를 측정해서 만든 것이다. 우리가 '스트레스' 라는 것을 재려고 할 때, 기준점을 정하기 위해 '자고 있을 때' 의 스트레스를 0 이라고 정한 것처럼 이해하면 된다. 그러면 공부할 때는 자고 있을 때보다 100 만큼 스트레스가 높다든가, 놀 때는 자고 있을 때보다 -100 만큼 낮다든가 하는 식으로 이야기하여 '놀 때는 공부할 때보다 -200 만큼 스트레스가 낮다' 같이 말할 수 있을 것이다.

오비탈과 양자화학

지옥에 온 것을 환영한다

화 1 선택자들을 멘붕시키는 첫 번째 관문. 이 부분은 나만 힘든 게 아니니 기운을 내자. 어렵다면 양자화학 부분은 건너뛰고 오비탈만 읽어도 된다.

그러나 오비탈 부분을 건너뛰어서는 절대 안 된다. 오비탈에 대한 개념 없이는 뒤에 나올 설명을 거의 이해할 수 없다. 당장 다음 항목인 원소의 주기성에 있는 '이온화 에너지 경향의 예외'를 이해할 수가 없게 된다. 처음 오비탈을 볼 때는 이 얼마나 끔찍하고 무시무시한 생각이니멘붕이 와도 한 번만 이해하고 나면 신세계가 펼쳐진다.물론 그런다고 시련이 끝났다는 건 아니다

오비탈

원래는 이 항목이 뒤에 오고, 양자화학 항목이 앞에 와야 한다. 하지만 그랬다가는 무시무시한양자역학을 보고 오비탈을 보기도 전에 멘붕하는 사태가 벌어지므로 오비탈 항목부터 작성한다.

간단 개요

보통 원자 하면 중심부에 동그란 핵이 있고 쬐끄만 '전자'라는 공이 핵 주위를 행성처럼 빙빙 도는 모습을 상상하게 된다. 하지만 자연은 훨씬 더 복잡하게 작동한다. 뒤에서 배울 불확정성의 원리라는 것에 의해 우리는 전자의 위치와 속도를 동시에 알아낼 수 없다. 그래서 우리는 이곳에서 전자가 발견될 확률이 90%인 위치를 표시하는 식으로 전자의 위치를 대충 짐작할 수밖에 없다. 이 개념은 이전의 원자론과는 완전히 다르며, 원자 궤도함수(오비탈)로 설명할 수 있다.

양자수

원자들 안에 들어 있는 전자들의 분포를 설명하려면 세 개의 양자수(quantum number)가 필요하다. 바로 주양자수(principal quantum number), 각운동량 양자수(angular momentum number), 자기 양자수(magnetic quantum number)이다. 여기에 전자가 도는 방향을 결정하는 스핀 양자수(spin quantum number)까지 곁들이면 완벽하다.

주양자수([math]\displaystyle{ n }[/math])

기호는 [math]\displaystyle{ n }[/math]. 쉽게 말해서 전자껍질이다. K, L, M, N... 대신 1, 2, 3, 4,...로 진행된다는 게 차이. 언제나 정수값을 가지고, 핵과 전자 사이의 평균 거리와 관련이 있다. 더 읽으면 알겠지만 스핀 양자수를 제외하고 나머지 양자수는 이 주양자수 없이는 안 된다.

각운동량 양자수([math]\displaystyle{ l }[/math])

기호는 [math]\displaystyle{ l }[/math]. 이름은 어렵지만, 그냥 궤도함수의 모양을 결정하는 수라고 생각하면 된다. 부껍질이라고도 부른다콩라인[math]\displaystyle{ l }[/math]값은 0부터 (n-1)까지, 즉 [math]\displaystyle{ 0, 1, 2, ... , (n-1) }[/math]까지. 각각 이름이 있다.

[math]\displaystyle{ l }[/math]	0	1	2	3	4	5
궤도함수(오비탈) 이름	s	p	d	f	g	h

s오비탈은 원자 스펙트럼이 매우 선명(sharp)해서 s, p는 매우 강해서 주된(principal), d는 퍼져 있어서(diffuse) 이런 이름이 붙었다. f부터는 그냥 알파벳 순서이다. 참고로 f는 fundamental. 아래 그림을 보면 조금 이해가 갈 것이다. 파일:File:Orbital s 1.jpg 파일:File:Px py pz orbitals.png 파일:File:D orbitals.png

f부터는 그림이 매우 복잡하고 여백이 모자라 적지 않는다.

자기 양자수([math]\displaystyle{ m_l }[/math])

위에서 p오비탈과 d오비탈 그림에서 s오비탈과 가장 다른 점이 무엇인가? p 오비탈부터는 방향이 있다. 자기 양자수는 공간에서 오비탈의 방향을 나타낸다. 기호는 [math]\displaystyle{ m_l }[/math]. [math]\displaystyle{ -l, -l + 1, ... , 0, ... , l - 1, l }[/math]까지 있다. [math]\displaystyle{ m_l }[/math]의 개수는 특정 [math]\displaystyle{ l }[/math]값을 가진 부껍질 내의 오비탈 수를 나타낸다. 따라서 [math]\displaystyle{ 2l+1 }[/math]개. orbital diagram 이미지 넣기. 이해가 안 되면 여기서 '방'의 개수라고 생각하자.

전자 스핀 양자수([math]\displaystyle{ m_s }[/math])

전자는 그냥 도는 게 아니라, 원자 주위를 돌면서 동시에 자기도 돈다. 이때 이 도는 것(스핀)의 방향을 나타내는 수가 스핀 양자수이며, [math]\displaystyle{ m_s }[/math]로 나타낸다. 스핀 양자수는 +½ 또는 -½값을 가진다. 한 오비탈에 같은 방향으로 도는 전자 그런 거는 우리에게 있을 수가 없다. '방'에 채워지는 두 전자는 항상 반대 방향이다. 스핀 양자수에 대해 더 자세히 알고 싶은 사람은 아래 문단을 읽어 보자.

전자 스핀에 대한 증명

1924년 슈턴(Otto Stern)과 게를라흐(Walther Gerlach)가 결정적으로 증명했다. 아래 그림을 보면, 고온의 전기로에서 생성된 원자살(기체 상태)이 불균일한 자기장을 통과한다. 이때, 전자와 자기장 간의 상호작용 때문에 원자는 똑바로 가지 못하고 휘어지게 된다. 스핀 운동은 완전히 무질서하기 때문에, 원자 안의 전자 중 절반은 한 쪽 방향으로 스핀 운동을 하여 한 방향으로 회절하고, 나머지 절반은 반대 방향으로 스핀 운동을 하여 다른 방향으로 회절하게 될 것이다. 그 결과 세기가 같은 두 점이 검출 스크린에 나타난다.

전기와 자기장의 관계, 특히 전자기유도에 대해 더 궁금하다면 물리 문서를 참고하자. 재물포도 좋아하는 물리

원자 궤도함수(오비탈)

일단 우리가 이 모든 이야기를 하는 궁극적인 목적은 원자가 어떻게 생겨먹었냐를 알기 위해서이다. '공 모양도 아니래, 모양도 확실하게 정할 수 없대, 그럼 도대체 뭐야?' 유감스럽지만 이 질문에는 확실한 답을 내려줄 수 없다. 간단 개요에 나와 있는 것처럼, 우리는 그저 확률로밖에 나타낼 수 없기 때문이다. 전자가 핵으로부터 무한대만큼 떨어져 있을 확률도 분명히 있다. 그렇지만 우리는 원자들이 화학 결합을 형성할 때 대체로 어떤 모양일지는 짐작할 수 있다. 아래의 설명은 가장 있을법한 모양에 대해 말해준다.

그럼 양자수와 원자 궤도함수는 어떤 관계가 있을까? 설명을 시작하기 전에, 앞에서 본 내용이 잘 기억나지 않을 테니 이것만 복습하고 넘어가자. 각운동량 양자수 [math]\displaystyle{ l }[/math]은 궤도함수의 모양을 결정하고, 자기 양자수 [math]\displaystyle{ m_l }[/math]은 궤도함수의 방향을 결정한다. [math]\displaystyle{ l }[/math]값은 0부터 (n-1)까지 있으며, 숫자보다는 s, p, d, f, ... 로 나타낸다.

s 궤도함수

[math]\displaystyle{ l=0 }[/math]인 궤도함수이므로 [math]\displaystyle{ m_l }[/math]값은 단 하나 존재한다. [math]\displaystyle{ (2l+1)=1 }[/math]이기 때문.

전자는 어디서나 발견될 수 있지만, 대부분은 원자핵 근처에서 얼쩡거리고 있을 것이다. 다음은 전자가 1개뿐인 수소의 전자 밀도를 나타내는 그림이다.

<수소 전자 밀도 이미지 넣어주세요.>

여기서 전체 전자 밀도의 90%를 에워싸는 선을 그리면 아래처럼 된다. 이를 경계면 도식(boundary surface diagram)이라 한다.

<수소 1s 궤도함수 경계면 도식 이미지 넣어주세요>

공 모양이 나오는 걸 확인할 수 있다.

p 궤도함수

'p' 궤도함수는 주양자수 [math]\displaystyle{ n=2 }[/math]일 때부터 존재한다.

전자 배치

파울리의 배타원리

β원리가 아니다

쌓음 원리

오비탈 문서를 작성하시는 분은 가능한 쉽고 재미있게 작성해 주세요.

양자론

축하한다. 이제 당신은 화학의 첫 관문을 무사히 넘겼다. 뿌듯해해도 좋다. 지금부터 하는 설명은 위에서 오비탈 설명을 하는 동안 "그럼 양자는 도대체 뭐야? 왜 전자의 위치와 속도를 동시에 알 수 없는 거지?"가 궁금했을 위키러를 위해 준비했다. 의욕 넘치게 읽어내려가기 전에, 허리도 좀 펴고 뻐근한 목도 좀 돌려보자. 더 이상 머리아프기 싫은 사람은 여길 건너뛰어도 된다.하지만 보어의 수소 원자 이론은 화학 1에 나온다

19세기에 물리학자들은 원자나 분자를 마치 우리가 원자 하면 그러는 것처럼작은 공처럼 생각해서 여러 가지 이론을 만들려고 애를 썼다. 그러다가 독일의 젊은 물리학자 막스 플랑크가 이런 생각을 개발살뒤집어버리는 발견을 하게 된다. 바로... 원자나 분자는 에너지를 불연속적인 양, 즉 양자(quantum)로만 에너지를 방출한다는 것.

그동안 과학자들은 에너지가 연속적이라고 생각했다. 쉽게 이야기하면, 당신은 경사진 언덕에 서 있는 것이다. 높은 곳에 있을 수록 당신의 에너지가 크다. 이제 에너지가 작아지고 싶다면 당신은 이제 언덕을 걸어내려오면 된다. 당신은 걸어내려오면서 언덕길의 모든 지점을 지나게 된다.

플랑크의 발견은, 당신은 사실 경사면이 아니라 계단에 서 있다넌 이미 죽어있다는 것이다. 당신이 있는 위치를 당신의 에너지라고 하자. 높은 계단에 있을수록 당신이 가진 에너지가 더 커진다.계단 둘째 칸에서 뛰어내리는 건 일상이지만 일곱째 칸에서 뛰어내리면 무릎이 아작나는 것처럼 7번째 계단에서 6번째 계단으로 내려온다고 할 때, 당신은 7번째 계단과 6번째 계단에 서 있을 수는 있지만 7번째 계단과 6번째 계단 사이에는 설 수 없다!

원소의 주기성

시험에도 참 많이 나오는 부분이다.

주기율표의 발전단계

뉴렌즈의 옥타브 법칙

1864년 영국의 화학자 뉴렌즈(Newlands)가 알려진 원소를 질량 순으로 배열하면, 매번 8번째 원소가 비슷한 성질을 갖는다는 것을 알아내었다. 뉴렌즈는 이 법칙을 옥타브 법칙(law of octaves)이라고 이름 지었다. 단 이 법칙은 칼슘 이후의 원소부터는 적절하지 않아서 뉴렌즈는 별로 인정을 못 받았다.

여담으로, 뉴렌즈는 당대에 인정을 못 받은 것 뿐만 아니라 조롱의 대상이 되기까지 했다. 이름을 옥타브음악시간에 들었던 그 옥타브라고 지은 바람에 동료 과학자들이 음악과 엮어서 놀렸다고.

멘델레예프의 주기율표

러시아의 화학자 멘델레예프(Mendeleev)와 독일의 화학자 마이어(Meyer)가 확립한 주기율표로, 현대적인 주기율표와 비슷하다. 멘델레예프의 주기율표는 66가지의 이미 알려진 원소가 포함되어 있었다. 이 주기율표가 대단한 이유는 다음과 같다.

• 원소의 성질을 기초로 하여 좀 더 정확하게 분류하였다.
• 발견되지 않은 원소의 성질을 예측할 수 있었다.

멘델레예프는 에카알루미늄(eka-aluminium)이라는 원소가 원자 질량 68amu에 녹는점이 낮고, 밀도는 5.9g/cm³이며 산화물의 화학식은 Ea₂O₃일 것이라 예측했다. 그런데 4년 뒤 발견된 갈륨(Ga)은 원자 질량 69.9amu에 녹는점은 29.78°C, 밀도가 5.94g/cm³, 산화물의 화학식이 Ga₂O₃였다!오오

여담으로 갈륨은 낮은 녹는점 때문에 손바닥 위에서도 녹는다. 갈륨으로 만든 숟가락이 있으면 재미있는 장난을 칠 수 있다. 사라지는 숟가락

아직 이때는 원소를 원자번호 순이 아니라 원자량 순으로 나열해서 오류가 있다. 아르곤이 칼륨보다 원자 질량이 커서 1족에 배치되고 칼륨은 18족에 배치되었다. 1족은 반응성이 큰 알칼리 금속, 18족은 반응성이 거의 없는 비활성 기체이다. 그런데 아르곤은 비활성 기체이다. 반면 칼륨은 반응성이 지랄맞게크다! 이 오류는 나중에 영국의 젊은 물리학자 모즐리(Moseley)가 원자번호 순으로 나열한 현대 주기율표를 만들면서 해결된다.

현대 주기율표

현대 주기율표는 원자 번호 순(양성자 개수 순서)대로 배열한다. 따라서 멘델레예프의 주기율표와 다르게 아르곤이 18번, 칼륨이 19번이다. 영국의 물리학자 모즐리(Moseley)는 원자 번호 증가 순서가 몇몇 예외를 제외하고 원자 질량 증가 순서와 같음을 알게 되었다.

원자 번호는 어떻게 결정했을까?(수식 주의)

모즐리는 자신이 원자 번호라고 이름 붙인 물리량과 그 원소로 만들어진 표적에 큰 에너지를 가진 전자를 부딪힘에 따라 발생하는 X선의 진동수 사이의 연관성을 발견하였다. 모즐리는 원소로부터 나오는 X선의 진동수를 다음 식으로 나타낼 수 있는 걸 알게 되었다.

[math]\displaystyle{ \sqrt{\nu} = a(Z - b) }[/math]

여기서 ν는 방출된 X선의 진동수이며, a와 b는 상수로 모든 원소가 같은 값을 갖는다. 그러므로 관찰된 방출 X선 진동수의 제곱근으로부터 그 원소의 원자 번호를 결정할 수 있었다.

그리고 루트 안의 ν는 v(브이)가 아니다. 누(nu)라고 읽는 그리스 문자이다.이럴수가 진동수를 나타내는 기호.

원소의 주기적 분류

자, 다시 한 번 더 주기율표를 보자.

치워요 현기증난단 말이에요 정말 아름다워요.

주족 원소(representative element 혹은 main group element)

1족~2족, 13족~17족에 속해 있는 원소들이다. 이들은 모두 최대 주양자수의 s나 p 부껍질이 완전히 채워지지 않았다. 헬륨을 제외한 모든 비활성 기체(noble gas, 18족 원소)는 p 껍질이 완전히 채워져 있다.

전이 금속

3족~11족의 원소들로 d 부껍질이 완전히 채워지지 않았거나, 완전히 채워지지 않은 d 부껍질을 가진 양이온을 잘 형성하는 원소들이다.

12족 원소

주족 원소도 전이 금속도 아니며 특별한 이름이 없다.

란타넘족과 악티늄족

완전히 채워지지 않은 f 부껍질을 가지기 때문에, f구역 전이 원소라고 한다.

여기서 s, p, d, f를 보고 정신이 혼미해졌다면 다시 오비탈 부분으로 올라가 복습해보자.

원소가 화학적으로 어떻게 반응하는지는 원소의 원자가 전자(valence electron, 혹은 최외각 전자)에 의해 결정된다. 1족의 원자가 전자는 1개, 2족의 원자가 전자는 2개, 13족의 원자가 전자는 4개, ... , 17족의 원자가 전자는 7개이다. 18족은 원자가전자가 없다. 뭔가 규칙성이 보일락말락 하는가? 핵심은 모든 전자가 화학 반응에 참여하지 않는다는 것이다. 칼륨은 전자를 19개나 가지고 있지만 정작 반응에 관여하는 전자는 1개뿐이다! 이건 칼륨이 1족 원소여서 그렇다.

원소가 가진 모든 전자는 반응에 관여하는 원자가 전자와 원자가 전자가 아닌 핵심부 전자로 나눌 수 있다. 화학 반응을 생각할 때는 이 핵심부 전자에 대해서는 신경을 끄면 된다. 그럼 몇 개까지가 핵심부 전자인가? 그건 바로 그 원소 바로 이전에 있는 18족 원소의 전자 수이다. 칼륨의 경우, 바로 이전에 있는 18족 원소는 아르곤이다. 아르곤의 원자 번호는 18이므로, 칼륨의 원자가 전자는 칼륨의 원자번호 19에서 18을 뺀 1이다. 원자가 전자를 최외각 전자라고도 하는 이유는, 이런 식으로 '핵심부 전자를 제외한 나머지 가장 바깥에 있는 전자'라는 의미로도 해석할 수 있기 때문이다.

원자가 전자가 이런 식으로 결정된다면, 우리는 규칙을 발견할 수 있다. 같은 족이면 원자가 전자의 수가 같다. 따라서 같은 족이면 화학적 성질도 비슷하다. 예를 들어 1족은 (수소를 제외하고) 물에 떨어뜨려 보면 크고 아름다운 반응성을 폭발적으로 보여 준다.

다만 이 규칙성은 깊이 들어가면 맞지 않는 경우가 많으니 주의하자.

화학 결합: 기본 개념

공유 결합

결합 길이

결합의 개수가 많아질수록 결합이 강해진다. 결합이 한 개인 것이 손만 잡는 거라면, 두 개는 키스도 하는 것이고, 세 개는... 더이상의 자세한 설명은 생략한다. 무슨 생각 하니?

화학 결합: 심화 개념

심화 개념이라고 되어 있지만 진짜 심화와 그럭저럭 할만한 개념이 섞여 있다.

분자의 기하 구조

원자가 껍질 전자쌍 반발(valence-shell electron-pair repulsion, VSEPR)모형

혼성

여기서부터 진짜 심화 개념. 고등학생인 위키러라면 마음을 비우고 그냥 보면 된다.

고체, 액체, 기체

이상 기체

일단, 위에서 적었듯이 물체는 고체, 액체, 기체 상태가 존재한다. 여기서 이상 기체를 다루기 전에 미리 알아야 할 내용을 서술하고 그 내용에 대해서 서술하도록 하겠다.

먼저, [math]\displaystyle{ 1 }[/math]atm, [math]\displaystyle{ 25 }[/math]°C에서 기체 상태로 존재하는 것들의 대표적인 예시다.

홑 원소 물질

화합물

수소 [math]\displaystyle{ H_2 }[/math], 산소 [math]\displaystyle{ O_2 }[/math], 오존 [math]\displaystyle{ O_3 }[/math], 질소 [math]\displaystyle{ N_2 }[/math], 플루오린 [math]\displaystyle{ F_2 }[/math], 헬륨 [math]\displaystyle{ He }[/math], 염소 [math]\displaystyle{ Cl_2 }[/math], 아르곤 [math]\displaystyle{ Ar }[/math], 네온 [math]\displaystyle{ Ne }[/math], 크립톤 [math]\displaystyle{ Kr }[/math], 크세논(제온) Xe, 라돈 [math]\displaystyle{ Rn }[/math]

이산화탄소 [math]\displaystyle{ CO_2 }[/math], 일산화탄소 [math]\displaystyle{ CO }[/math], 암모니아 [math]\displaystyle{ NH_3 }[/math], 이산화황 [math]\displaystyle{ SO_2 }[/math], 염화수소 [math]\displaystyle{ HCl }[/math], 요오드화 수소(아이오딘화 수소) [math]\displaystyle{ HI }[/math], 메탄 [math]\displaystyle{ CH_4 }[/math], 에틸렌 [math]\displaystyle{ C_2 H_4 }[/math], 아세틸렌 [math]\displaystyle{ C_2 H_2 }[/math]

다음으로는 기압에 관한 것이다. 토리첼리에 의하여 기체는 물질들을 미는 힘, 즉 압력이 있음이 발견되었는데 이것이 기압이다. 밑면적 1 [math]\displaystyle{ m^2 }[/math], 높이 1 [math]\displaystyle{ m }[/math]의 유리관에 있다고 가정할 때, 이 유리관에 수은을 가득 채우고 수은이 가득 담긴 수조에 거꾸로 세우면, 수은 이 수조 속으로 내려가다가 높이가 76 [math]\displaystyle{ cm }[/math]가 될 때때 멈춘다. 이는 대기 속의 기체 분자가 이리저리 날아다니다 수조의 수면과 부딪치고, 이 힘이 전달되어 수은을 약 76 [math]\displaystyle{ cm }[/math]까지 밀어 올리기 때문이다. 이것이 대기압이며, 이를 1기압이라 하고, [math]\displaystyle{ 760 mmHg }[/math] 또는 [math]\displaystyle{ 1 atm }[/math]으로 표기한다. 여기에 [math]\displaystyle{ 1 atm }[/math]은 1 [math]\displaystyle{ m^2 }[/math], [math]\displaystyle{ 1.013 \times 10^5 }[/math] [math]\displaystyle{ Pa }[/math] 또는 [math]\displaystyle{ 1013 hPa }[/math] 에 해당한다.

일단, 이에 대해서 더 들어가면 끝이 없으므로 자세한 설명은 생략하고 본론으로 들어가자.

이상기체를 이해하기 위해서는 두 가지 법칙에 대한 선행 이해가 필수적이다. 바로, 보일의 법칙과 샤를의 법칙이다. 합쳐서 보일-샤를의 법칙이라 말하기도 한다.

우선, 보일의 법칙을 설명하자면, 온도가 일정할 때, 일정량의 기체의 부피 [math]\displaystyle{ V }[/math]는 압력 [math]\displaystyle{ P }[/math]에 반비례한다. 이를 식으로 표현하자면, [math]\displaystyle{ PV=k }[/math] (여기서 k는 상수다.) 이것을 조금 변화시켜보자. 일정량의 기체가 존재함을 가정하고, 압력이 [math]\displaystyle{ P_1 }[/math]에서 [math]\displaystyle{ P_2 }[/math]로, 부피가 [math]\displaystyle{ V_1 }[/math]에서 [math]\displaystyle{ V_2 }[/math]로 변화한다면, [math]\displaystyle{ P_1 V_1=P_2 V_2 }[/math]가 된다. 이를 비유해 보면, 당구공이 당구대 위를 굴러다니는데, 당구공이 기체 분자, 당구대가 부피, 당구공이 당구대 벽에 부딪쳐서 전해지는 힘을 압력이라 할 수 있다. 당구대의 넓이가 줄어들면 그만큼 당구공이 돌아다닐 길이 짧아지고, 따라서 벽에 더 자주 부딪히게 될 것이다.

다음으로, 샤를의 법칙을 알아보자. 압력이 일정한 상황에서 일정량의 기체는 온도가 1°C씩 증감함에 따라서, 부피의 [math]\displaystyle{ {1 \over 273} }[/math]만큼 증감한다. 0°C에서의 부피를 [math]\displaystyle{ V_0 }[/math]라 하고, 압력이 일정한 상황에서 t°C만큼 온도를 상승시켰을 때 기체의 부피를 식으로 나타내면, [math]\displaystyle{ V=V_0 \times (1+{1 \over 273})={(273+t) \over 273} \times V_0 }[/math]. 이 식에서 유도된 결과에 의한다면 -273°C에서 기체의 부피는 0이 된다. 이 0이 되는 온도를 [math]\displaystyle{ 0 }[/math]K이라 정의한다. 이 온도에 대한 변수를 T라 한다면, [math]\displaystyle{ T=t+273 }[/math]. k가 비례상수라면, [math]\displaystyle{ k={V \over T} }[/math]이고, [math]\displaystyle{ V_1 }[/math]에서 [math]\displaystyle{ V_2 }[/math]로, [math]\displaystyle{ T_1 }[/math]에서 [math]\displaystyle{ T_2 }[/math]로 변한다면, [math]\displaystyle{ {V_1 \over T_1}={V_2 \over T_2} }[/math]. 온도는 분자가 돌아다니는 속도를 나타내는데, 어린이가 커서 더 빨리 싸돌아다닐 수 있게 되면 더 넓은 놀이터가 필요해지는 것과 같다.

위의 두 법칙을 합치면, [math]\displaystyle{ k={PV \over T} }[/math]이다. 당연하지만, 이것도 변환되어서 [math]\displaystyle{ {P_1 V_1 \over T_1}={P_2 V_2 \over T_2} }[/math]가 되며, 이를 보일-샤를의 법칙이라 한다.

자, 여기까지 된다면, k의 값이 매우 궁금할 것이라 생각된다. k는 기체상수로 R이라 한다. 이 R은 표준상태에서 약 0.082[[math]\displaystyle{ atm \times l }[/math]/ ([math]\displaystyle{ mol \times K }[/math])] 또는 8.31[[math]\displaystyle{ Pa \times m^3/(mol/K) }[/math]]이다. 이를 이용해서 보일-샤를의 법칙을 재설명하면, [math]\displaystyle{ {P V \over T}=R }[/math]이다. 이는 기체가 [math]\displaystyle{ 1 }[/math]mol만큼 있을 때이며, 이는 분자 수가 바뀌어 [math]\displaystyle{ n }[/math][mol]에서도 성립한다. 기체의 분자 수를 나타내는 몰 수가 많아지면 기체가 차지하는 부피도 당연히 커질 것이다. (아보가드로의 법칙!) 즉, [math]\displaystyle{ V }[/math] 가 [math]\displaystyle{ n }[/math] 과 비례하여 [math]\displaystyle{ P V=n R T }[/math] 이 되는데, 이 식을 이상 기체의 상태 방정식이라 한다.

자, 이제 본론이다. 실제기체는 분자 알갱이 자체의 크기, 즉, 부피가 존재하고, 압력, 부피 등의 상태가 온도뿐 아니라 여러 요인에 의해서 변하게 된다. 예컨대 기체 분자들끼리 서로를 끌어당기는 힘이 있다면 부피가 좀더 작아질 것이다. 이런 이유로 1mol의 부피가 [math]\displaystyle{ 22.41383 l }[/math] 보다 크거나 작게 되며, 저압, 고온의 상황이 아닌 경우에는 오차가 발생하게 된다. 즉, 상태방정식을 완벽하게 따르지 않는다. 그러나, 이를 완전하게 만족하는 가상의 기체, 즉, 지금까지 유도된 기체의 상태방정식을 완전히 만족하는 기체는 이상 기체라 한다. 이런 이상 기체의 경우, 기체상수 R이 1mol에서 약 0.082가 되며, 어떤 온도나 압력이나 기체 종류나 상관없이 항상 일정하다. 즉, 이상기체는 분자간의 상호작용이 없으며, 온도와 압력이 변해도 고체나 액체가 되지 않고 항상 기체 상태이다. 또한 질량이 존재하는 것에 반하여 분자 알갱이 자체의 부피는 없다. 여기에 항상 표준상태에서 [math]\displaystyle{ 22.41383 l }[/math] 이다.

실제 기체

물론 현실은 전혀 이상적이지 않다. 실제 기체가 이상 기체와 가까워지려면 분자간 상호작용이 거의 없고, 분자 알갱이의 크기를 무시할 수 있어야 한다. 이런 상태는 기체가 아주 희박할 때, 즉 압력이 낮고 온도가 높아서 분자간 거리가 멀고 부피당 분자 수도 작을 때이다. 이런 조건에서는 이상 기체 식의 결과와 실제 측정 값이 매우 근접한 모습을 보인다.

이런 현실의 조건을 고려해 이상 기체 방정식을 보정한 것이 실제 기체 상태 방정식이다. 가장 간단한 게 반 데르 발스이분 자주 나온다 방정식. 여러 가지 실제 기체 방정식을 알고 싶으면 실제 기체 상태 방정식을 참고하자.

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비금속 원소

여담: 다음은 비금속 원소들의 제법들이다. 이런 원소들을 그냥 얻는 게 아니라는 사실에 놀랄 것이다. 궁금한 사람은 펼쳐보자.

[math]\displaystyle{   }[/math]

질소	실험실 제법 : 아질산암모늄 진한 용액을 열분해한다. [math]\displaystyle{ NH_4 NO_2 \longrightarrow 2H_2 O + N_2 }[/math] 공업적 제법 : 액체공기를 분별증류로 얻는다.
일산화질소	실험실 제법 : 묽은 질산과 구리를 반응시한다. [math]\displaystyle{ 3Cu + 4HNO_3 \longrightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 4H_2 O + 2NO }[/math]
암모니아	실험실 제법 : 염화 암모늄과 소석회를 혼합하여 가열한다. [math]\displaystyle{ 2NH_4 Cl + Ca(OH)_2 \longrightarrow CaCl_2 + 2H_2 O + 2NH_3 }[/math] 공업적 제법 : 수소와 질소를 촉매를 사용하여 200atm, 873K에서 반응시킨다. [math]\displaystyle{ N_2 + 3H_2 \longrightarrow 2NH_3 }[/math] (하버법)
이산화질소	실험실 제법 : 진한 질산과 구리를 반응시킨다. [math]\displaystyle{ Cu +4HNO_3 \longrightarrow Cu(NO_3)2 + 2H_2 O + 2NO_2 }[/math]
일산화탄소	실험실 제법 : 개미산에 진한 황산을 적하하야 가열한다. [math]\displaystyle{ HCOOH \longrightarrow H_2 O + CO }[/math] 공업적 제법 : 붉게 가열된 코커스에 이산화탄소를 통과시킨다. [math]\displaystyle{ C + CO_2 \longrightarrow 2CO }[/math]
이산화탄소	실험실 제법 : 1) 탄산칼륨과 묽은 염산을 반응시킨다. [math]\displaystyle{ CaCO_3 + 2HCl \longrightarrow CaCl_2 +H_2 O + CO_2 }[/math]. 2)탄산수소나트륨을 열분해한다. [math]\displaystyle{ 2NaHCO_3 \longrightarrow NaCO_3 + CO_2 + H_2 O }[/math]. 공업적 제법 : 석회석을 구우면 얻을 수 있다. [math]\displaystyle{ CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2 }[/math]