이온 결합 화합물

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Chapter 3
원소, 화합물 및 주기율표
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3.1 원자의 내부 구조
1) 전자, 양성자, 중성자의 발견
전자(electron)의 발견 :
J. J. Thomson (1897년) - 1906년 노벨상 수상
- 음으로 하전된 입자
- 전하 대 질량의 비
e/m = 1.76 x 108 C/g
기체 방전관
톰슨의 음극선관
Millikan의 기름방울 실험(1909년)

전자의 전하를 계산


e = 1.60 x 1019 C
Thomson’s 실험값과 합하여 전자의 질량을 계산함

m = 9.09 x 1028 g (현재 전자질량 9.11 x 1028 g )
원자핵의 발견 :
Rutherford (1871-1937) - 1908년 노벨상 수상
- 양으로 하전된 입자
- 원자의 중심부인 핵에 밀집되어 있음
Rutherford’s 알파(Alpha) 입자 실험
양성자(Proton)의 정의
1918년 Ernest Rutherford’s 실험실에서 정의
 질량 분석계(Mass Spectrometer)를 사용하여 분석
 질량은 전자보다 약 1800배 무거움
 다른 기체가 사용되었을 때 그들의 질량은 항상 수소 원자에 대하여
관측된 질량의 정수 배인 것으로 보임
양성자 (Proton)
 양전하인 입자
 전자 한 개의 전하(+1.6022 x 10-19 C)를 가짐

질량 분석계
중성자 (neutron)의 발견:
J. Chadwick (1932년) - 1935년 노벨상 수상
- 양성자보다 약간 무겁다: 1.67495 x 10-24 g/ea
- 전기적으로 중성 : 0.0 C/ea
원자 반경 ~ 100 pm = 1 x 10-10 m
핵의 반경 ~ 5 x 10-3 pm = 5 x 10-15 m
결국 원자의 지름이 핵의
지름보다 약 10,000배 큼
2) 아 원자 입자
입자
질량 (g)
전하
전자
9.109391028
1
0
1 e
양성자
1.672641024
+1
1
1
H
,
1
1p
중성자
1.674951024
0
1
0n
기호
3) 원자번호와 질량수
1) 원자번호 (Z)
- 핵 속의 양성자 수 ( = 중성 원자의 전자 수)
2) 질량수 (A) = 양성자 수 (원자번호, Z) + 중성자 수(N)
3) 원소기호 (첫 글자만 대문자)
4) 동위원소: 양성자 수는 같지만 중성자 수는 다른 원자들
질량수
A
ZX
원자번호
예
1
1
2
1
H
235
92
원소 기호
H (D)
U
238
92
3
1
U
H (T)
예제 3.1 Cr-52(원자번호=24) 동위원소의 전자, 양성자, 중성자 수 계산
풀이) 양성자 수 = 24, 전자 수 = 24, 중성자 수 = 52-24 = 28
4) 원소의 상대적 원자질량
원자질량(혹은 원자량): 실제로 매우 작아 상대 질량으로 표시
기준 원자 : 탄소 - 12 (12C)
12C
원자 1개의 “질량” = 12 amu
amu: atomic mass unit (원자질량단위)
1H
= 1.008 amu
16O
= 16.00 amu
5) 동위 원소의 양에 따른 평균 원자질량 – 질량 수
예) 탄소(C): (2개의 동위원소로 존재, C-12, 98.9% ; C-13, 1.1%)
(0.989)ⅹ(12.000 amu) + (0.011)ⅹ(13.00335 amu) = 12.01 amu
리튬(Li) 의 경우
7.42% 6Li (6.015 amu)
92.58% 7Li (7.016 amu)
7.42 x 6.015 + 92.58 x 7.016
= 6.941 amu
100
예제 3.2 염소(Cl: 원자번호 17): 2개의 동위원소 존재
35Cl
(75.77 %),
(각각의 원자질량)
풀이)
35Cl:
37Cl
(24.23 %),
34.9689 u,
37Cl:
36.9659 u
Cl의 평균질량
= (0.7577)(34.9689 u) + (0.2423)(36.9659 u)
= 35.453 u
1) 존 뉴랜(Newlands)의 옥타브 법칙에 의한 주기율표 (1864년)
- 원자질량의 증가 순서에 따른 원소를 배치할 때, 8번째마다
유사한 성질의 원소가 나타남 (옥타브 법칙).
- 칼슘(Ca) 이후의 원소는 이 법칙에 적용되지 않음.
(전이원소 때문)
2) 멘델레예프와 마이어의 주기율표 (1869년)
- 원자질량의 증가 순서로 배열
- 옥타브 법칙의 문제점을 보완 (전이원소 포함)
- 원소의 성질에 대한 보다 더 정확한 분류
- 미 발견된 원소의 존재와 성질을 예측 가능.
* eka Al 예측: 갈륨(Ga) 발견.
* 보고된 K의 밀도(4.70 g/cc)의 오류를 주기율표에 의해
5.94로 정확한 값으로 수정 제안.
* Ar(원자질량: 39.95 amu)이 K(원자질량: 39.10 amu) 보다
원자번호가 작은 이유에 대한 규명이 안 됨.
3) 모즐리의 X선 실험 (1913년)
- 원소에 높은 에너지의 전자를 충격 할 때, 방출하는
X선의 파장과 원자번호와의 상관관계가 있음을 확인.
- 원자번호는 원자질량의 증가 순서가 아니라 전자 혹은
양성자의 수로 판단한다.
- Ar과 K의 원자번호가 18과 19로 멘델레예프 주기율표의
모순이 해결됨.
- 원소의 전자배치와 물리화학적 성질의 주기성 확립.
그림 3.8 현대의 주기율표
현재까지 115개의 원소가 존재한다고 알려짐.
이 가운데 자연계에는 88개의 원소가 발견.
※ 참고 (원소: 112번)
A single atom of element 112 was created and confirmed by the team lead
by Peter Armbruster and Sigurd Hofman (Germany in 1996). The element was
created by bombarding lead(82) foil with highly ionized zinc(30) atoms. The atom
detected decayed after 280 microseconds, loosing an alpha particle to form
element 110.
◈ 日연구진 새 원소 발견.. 가장 무거운 113번째 (2004)
지금까지 알려진 원소 중에서 가장 무거운 113번째의 새 원소가 일본 연구진에 의해 발견됐다. 일
본 이화학연구소의 모리타 고스케 박사 팀은 선형가속기에서 아연 원자(원자번호 30)를 장기간 가속,
충돌시키는 방법으로 원자핵 1개와 양성자 113개를 가진 새로운 원소를 합성하는 데 성공했다고 일
본 언론들이 최근 보도했다. 이 원소가 국제학회의 공인을 받을 경우 일본인이 발견한 최초 사례가 된
다. 모리타 박사 팀은 가속기에서 아연의 원자 핵(양성자수 30)과 중금속인 비스무트(Bi) (양성자수
83)의 원자핵을 80일 동안 연속 충돌시킨 결과 수명이 0.0003초인 새로운 원소를 발견했다고 설명했
다. 이 원소는 핵분열을 하고 알파선을 방출했으며 지금까지 발견된 어떤 원소보다 무거운 것으로 확
인됐다고 연구 팀은 덧붙였다. 연구소 측은 이 원소를 '저패니움'이나 '리케니움' 등으로 명명할 방침
이다. 이에 앞서 러시아의 연구 팀이 지난 2월 1백13번째의 원소를 발견했으나 무게를 감지하는 데
실패, 새로운 원소로 공인 받지 못했었다.
◈ 118번째 (2006년)
1999년에 미 로렌스 버클리 국립연구소가 “가장 무거운 원소”인 언눈옥튬을
발견했다고 발표했으나, 2002년 7월 이 연구성과는 연구자의 날조라는 것이 밝혀졌다.
2006년 10월, 미 로렌스 리버모어 연구소와 러시아 합동 원자핵 연구소의 연구팀이 다시
발견했다고 발표했다.
◈ 2012년 10월 IUPAC: 임시로 불려지던 114번(Uuq, 우눈쿼듐)과 116번(Uuh,
우눈헥슘) 원소를 각각 플레로븀(Fl : flerovium)과 리버모륨(Lv : livermorium)으로 공
식 명명하였다. 이로써 2013년 1월 현재 118개 중에서 113번 우눈트륨(Uut), 115번
우눈펜튬(Uup), 117번 우눈셉튬(Uus), 118번 우누녹튬(Uuo) 원소만 임시 명칭으로
사용되고 있다. (112번, Cn은 2010년 2월에 정식을 명명됨)
112.Cn 코페르니슘
113. Uut 언눈트리움
114. Fl 플레로븀
115.Uup 언눈펜튬
116. Lv 리버모륨
117.Uus 언눈셉튬
118.Uuo 언눈옥튬
주기율표에서의 특별한 용어
주기: 주기율표에서 가로줄
족: 주기율표에서 세로줄
※ 원소의 분류
1. 주족원소 (또는 전형원소)
2. 전이 원소 (d 궤도에 전자가 부분적으로 채워짐)
3. 란탄계열 및 악티늄계열 원소 (f 궤도)
주족 원소
1A족: 알칼리 금속
2A족: 알칼리 토금속
7A족: 할로젠 원소
8A족: 불활성 기체 (noble gas: 0족 기체)
3.3 금속, 비금속, 준금속

원소는 3가지의 큰 범주로 분류됨

주기율표는 위치에 따라 분류됨
금속 (Metals)

왼쪽 변에 위치

나트륨(Na), 납(Pb), 철(Fe), 금(Au) 등
비금속 (Nonmetals)

오른쪽 상단에 위치

산소(O), 질소(N), 염소(Cl)
준금속 (Metalloids)

금속과 비금속 사이의 대각선에 위치

붕소(B) 에서 아스타딘(At) 까지
그림 3.8
1) 금 속 (Metals)

주기율표에서 가장 많은 원소
성질 (Properties)




금속광택 (Metallic luster)
 아주 독특한 빛
전성 (Malleable)
 두드려 얇게 펼 수 있는 능력
연성 (Ductile)
 철사처럼 가늘게 뽑을 수 있는 능력
강도 (Hardness)
 단단한 것 – 철(Fe) 과 크롬(Cr)
 연한 것 – 나트륨(Na), 납(Pb), 구리(Cu) 등

열과 전기 전도도

실온 상태의 고체

녹는점 (mp) > 25 °C

오직 수은(Hg)만 액체 금속 (mp = –39 °C)

텅스텐 (W)


수은(Hg) 방울
(mp = 3400 °C)
최고의 금속으로 알려짐
화학적 반응성

크게 다르다

금(Au), 백금(Pt ):
반응성이 매우 낮음

나트륨(Na), 칼륨(K): 반응성이 매우 높음
2) 비금속

17개의 원소

주기율표 오른쪽 상단에 위치

순수한 원소보다는 주로 혼합물 형태로 존재

많은 기체(Gases)

단 원자 (Noble) 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar),
크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn)


H2, O2, N2, 불소(F2), 염소( Cl2)
몇몇의 고체(Solids) : 요오드(I2), 셀렌(Se8), 황(S8), 인(P4), 탄소(C)


이 원자 분자
탄소는 3가지 형태 (흑연, 다이아몬드, 퓰러렌)
하나의 액체(liquid) : 브롬(Br2)
비금속의 성질

부서지기 쉬움


절연체


힘을 가할 때 부서짐
열과 전기 전도도가 없음
화학적 반응성

몇몇은 비활성


몇몇은 반응성이 좋음


영 족 기체 (Noble gases)
F2, O2, H2
이온 화합물을 형성하기 위해 금속과 반응
3) 준금속 (Metalloids)

8개 원소들

금속과 비금속 사이의 대각선에 위치

B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At
성질 (Properties)


금속과 비금속 사이

금속 광택

비금속처럼 부서지기 쉬움
반도체 (Semiconductors)

전기 전도성

금속과 다소 비슷함

실리콘(Si)과 게르마늄 (Ge)
3.4 이온 결합 화합물
이온 (Ions)

한 원자에서 다른 원자로 전자가 하나 이상이 이동하여 형성

전하를 띤 입자 (양전하, 음전하)
이온 결합 화합물 (Ionic compound)

이온과 결합한 화합물

금속과 비금속이 반응할 때 형성

Na+과 Cl 이온의 무한한 배열
화학식 단위 (Formula unit )

이온 결합 화합물의 최소 단위를 나타내는 화학식
예) NaCl, Fe2O3
1) 비 금속과 금속의 반응
양이온 (Cations)

양으로 하전된 이온

금속으로부터 형성

원자는 전자를 잃음
예) Na :11개의 전자 →
Na+ : 10 개의 전자
음이온 (Anions)

음으로 하전된 이온

비금속으로부터 형성

원자는 전자를 얻음
예) Cl :17개의 전자 →
Cl– : 18개의 전자
2) 이온 결합 화합물의 식
표 3.3 주족 원소로부터 형성된 몇 가지 이온들
예) 산소(O)와 마그네슘(Mg)의 이온 결합 화합물의 화학식을 쓰시오.
 Mg 은 2A족
Mg2+
 O 은 6A족
O2–
 전기적인 중성을 위해서 → Mg:O의 비 = 1:1
 화학식 : MgO
예제 3.3 다음 원소로부터 생성되는 이온 결합 화합물의 화학식을
쓰시오.
풀이)
(a) Ba와 S
(b) Al과 Cl
(c) Al 과 O
(a) Ba → Ba2+, S → S2- ⇒ Ba : S = 1:1
∴ BaS
(b) Al → Al3+, Cl → Cl- ⇒ Al : Cl = 1:3
∴ AlCl3
(c) Al → Al3+, O → O2- ⇒ Al : O = 2:3
∴ Al2Cl3
※ 전이 금속의 경우
- 한 개 이상의 양이온을 형성
- 두 개 이상의 이온 화합물 형성 가능
예) FeCl2 와 FeCl3 등
※전이 금속과 후전이 금속의 양이온
※다원자 이온의 화합물 (표3.5)
NH4+
암모늄 이온
CO32-
탄산 이온
OH-
수산화 이온
H3O+
하이드로늄 이온
NO2-
아질산 이온
SO32-
아황산 이온
NO3-
질산 이온
SO42-
황산 이온
ClO2-
아염소산 이온
CrO42-
크로뮴산 이온
ClO3-
염소산 이온
Cr2O72-
다이크로뮴산 이온
ClO4-
과염소산 이온
PO43-
인산 이온
NH4OH
(NH4)3PO4
Ca(NO3)2
예제 3.4 Ca2+ 와 PO43-로부터 생성되는 이온 결합 화합물의 화학식?
풀이)
Ca3(PO4)2
3.5 이온 결합 화합물의 명명법

IUPAC 시스템으로 화학적인 화합물의 이름을 표준화

하나의 시스템의 사용으로 이름에서 화학식을 알 수 있음

다음 이온 결합 화합물에 대한 명명법을 살펴본다.

전형 원소 (주 족 원소) – 단 원자 음이온

전이 금속

다 원자 이온

수화물
표 3.6
1) 전형원소의 이온 결합 화합물 명명

이온 결합 화합물에서는 음이온의 이름을 먼저 쓰고 양이온의
이름을 그 다음에 쓴다.

영어 명에서는 양이온의 이름을 먼저 쓰고 음이온의 이름을 그
다음에 쓴다.

단 원자 이온에는 접미사 “-화(-ide)”를 붙여 명명한다.

양이온과 음이온이 몇 개씩인지 밝힐 필요는 없다.
예제 3.5 (a) SrBr2를 명명하시오. (b) 셀레늄화 알루미늄의 화학식은?
풀이)
(a) 브로민화 스트론튬(Sr)
(b) Al3Se2
2) 전이 금속의 양이온 명명
이온 결합 화합물 명명의 슈토크 체계
예제 3.6 (a) MnCl2 화합물의 이름은?
(b) 플루오린화 코발트(III)의 화학식은?
풀이)
(a) 염화 망간(II)
(b) CoF3
3) 다원자 이온 및 수화물의 명명
예제 3.8 Mg(ClO4)2 화합물의 이름은?
풀이)
과염소산 마그네슘
※수화물 명명
예)
CuSO4 · 5H2O : 황산구리 오수화물
CaSO4 · 2H2O : 황산 칼슘 이수화물
3.6 분자성 화합물
1) 분자에 대한 실험적 증거
분자 (Molecules)

두 개 이상의 원자로 구성된 전기적으로 중성인 입자

‘브라운 운동’ 에 의하여 확인
화학 결합 (Chemical bonds)

두 원자 사이에 전자를 공유하여 형성 - 공유결합

분자를 구성하는 원자 집단은 함께 움직이며,
하나의 입자처럼 행동
분자식 (Molecular formulas)


분자의 조성을 나타냄
단일 분자를 형성하고 있는 각 원자들의 수를 명시
2) 비금속으로부터 만들어진 분자성 화합물
수소를 포함하는 화합물
N O
비금속 수소화물 (Nonmetal hydrides)
 분자 구성은 비금속 + 수소
 비 금속과 결합한 수소의 수 = 주기율표에서 비활성
기체에 이를 때까지 오른쪽으로 움직이는 공간의 수
표 3.7 비금속 원소들의 간단한 수소 화합물
F Ne
탄소 화합물: 유기화학의 기초
탄소 화합물
 탄소 + 수소, 산소, 질소
탄화수소 (hydrocarbon)
 탄소와 수소로 이루어진 화합물
 가장 간단한 탄화수소(알케인)의 일반식: CnH2n+2
 모두 접미사 –ane 을 가짐

표 3.8 알케인 계열에 속하는 탄화수소
다른 탄화수소
알킨 (Alkenes)
 알케인 (alkanes)보다 탄화수소의 수소가 2개 적음
 CnH2n
 명명 = 접두사의 번호 + 틴(-ene)
예) C2H4 = 에틴 (ethylene)
알카인 (Alkynes)
 알케인 (Alkanes)보다 탄화수소의 수가 4개 적음
 CnH2n – 2
 명명= 접두사의 번호 + 타인(-yne)
예) C2H2 = 에타인 (acetylene)
다른 유기화합물

알코올 (Alcohols)

Alkane의 H를 –OH 그룹으로 바꿔 놓은 것.

명명 = 접두사의 번호 + anol
예) CH3OH = 메탄올 (methyl alcohol)
C2H5OH = 에탄올 (ethyl alcohol)
유기화합물의 화학식 쓰기
Structural formula(축약 구조식)
탄소 원자가 어떻게 연결되었는지를 나타냄
에테인 = CH3CH3
프로페인 = CH3CH2CH3
3.7 분자성 화합물의 명명법
1) 이성분 분자성 화합물
예)
예제 3.9
HCl:
염화 수소
PCl5:
오염화 인
CO:
일산화 탄소
CO2:
이산화 탄소
(a) AsCl3를 명명하시오.
(b) 사산화 이질소의 식을 쓰시오.
풀이) (a) 삼염화 비소(As)
(b) N2O4
2) 분자성 화합물의 일반명
예)
H2O:
산화 이수소 대신
- 물
NH3:
삼수소화 질소
– 암모니아
C12H22O11:
- 설탕
예제 3.10 다음 화합물을 명명하시오.
(a) CrCl3
풀이)
(a) 삼염화 크롬
(b) 삼황화 사인
(c) 질산 암모늄
(b) P4S3
(c) NH4NO3
그림 3.21

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