[스크랩] 고3 화학2-원자구조와 주기율

II. 원자 구조와 주기율

1. 원자 구조

(1) 원자의 구성

1) 원자의 구조와 모형

① 원자의 중심에 (+)전하를 띤 원자핵이 있고 그 주위에 (-)전하를 띤

전자들이 원운동을 하고 있다.

② 원자핵은 (+)전하를 띤 양성자와 중성인 중성자로 구성되어 있다.

③ 원자의 질량의 대부분은 원자핵이 차지하고 있다.

④ 원자의 부피는 원자핵의 부피보다 크고, 원자의 질량과 원자핵의

질량은 거의 같기 때문에 밀도는 원자핵이 훨씬 크다.

⑤ 원자는 양성자수와 전자수가 같아서 전기적으로 중성을 나타낸다.

 

2) 원자의 구성 입자와 그 성질

구성 입자 실제 질량(g) 상대적 질량 실제 전하(C) 상대 전하 관련 특

양성자(P) 1.673×10-24 1 +1.6×10-19 +1C 원자번호 결정

중성자(n) 1.675×10-24 1 0 0 동위 원소

전자(e-) 9.109×10-29 1 / 1837 -1.6×10-19 -1C 화학적성질 결정

 

3) 원자의 구성 입자 발견

① 톰슨: 음극선 실험 ⇒ (-)전하를 띤 전자를 발견

② 밀리컨: 기름 방울 실험 ⇒ 전자의 전하량이 1.6×10-19C임을 밝혀 냄

③ 러더퍼드: ∝선 산란 실험 ⇒ 원자핵 발견

질소 원자핵에 ∝입자 충돌 실험 ⇒ 양성자 발견

④ 채드윅: Be 입자에 ∝입자 충돌 실험 ⇒ 중성자 발견

 

(2) 원자의 구조 모형의 변천 과정

1) 돌턴: 단단하여 쪼개지지 않는 구형 모형을 하고 있음.

2) 톰슨: 푸딩속에 든 건포도 모양을 하고 있다.

원자속에는 전자와 양전하를 띤 입자들이 들어 있다.

3) 러더퍼드: 원자의 중심에는 원자핵이 있고, 그 주위에는 전자들이 있다.

4) 보어: 원자의 중심에는 원자핵이 있고, 그 주위에는 전자들이 일정한

궤도를 따라 원운동을 하고 있다.

5) 본: 현대적 원자 모형으로, 전자가 원자핵 주위에 구름처럼 퍼져 있어

전자가 발견될 확률적 분포를 나타낸 오비탈(궤도함수)

 

 

(3) 동위 원소

1) 원소 기호

: 원자의 이름과 성분을 나타내며, 보통 라틴어 원소명의 첫 대문자와

중간 소문자를 붙여 표시한다.

① 원자번호: 원자핵이 가진 양성자수(=전자의 수)

② 질량수= 양성자수+중성자수

azX X: 원소 기호

a: 원자번호=양성자수=중성원자의 전자수

z: 질량수=양성자수+중성자수

2) 동위 원소

① 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소, 즉 양성자수는 같으나

중성자수가 다른 원소

② 화학적 성질, 모양, 원자의 크기 등은 같으나 물리적인 성질이

다르다.

③ 지구상의 그 어느 곳에서나 존재 비율이 일정함.

예) 수소의 동위 원소: 1H(수소), 2H(중수소), 3H(삼중수소)

염소의 동위 원소: 35Cl(약 75% 존재), 37Cl(약 25% 존재)

 

2. 원자의 전자 배치

(1) 수소 원자의 모형

1) 수소 원자의 선스펙트럼

① 수소 원자는 불연속적인 스펙트럼을 방출한다.

② 에너지 준위는 불연속적이며, 높은 에너지 쪽으로 갈수록 그 차이가

적다.

2) 보어의 수소 원자 모형: 수소 원자의 선스펙트럼을 설명하기 위하여

제안됨.

① 전자는 원자핵 주위의 일정한 궤도를 원운동 한다.

② 전자가 같은 궤도를 돌 때는 에너지 출입이 없다.

③ 전자가 궤도를 옮길 때 에너지 출입이 뒤따른다.

④ 전자가 n번째 궤도에 있을 때의 에너지 준위

En= - 1312.7 / n2 kJ/몰 (n=1, 2, 3,......)

⑤ 전자껍질의 에너지 준위는 주양자수 n에 의해 결정된다.

⑥ 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이할 때는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 에너지를 흡수하며, 높은 에너지 준위

에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때는 두 에너지 준위의 차에 해당

하는 에너지를 방출한다.

 

 

 

3) 바닥 상태와 들뜬 상태

① 바닥 상태: 전자가 가장 낮은 에너지 준위에 있을 때의 상태

② 들뜬 상태: 바닥 상태의 전자가 에너지를 흡수하여 높은 에너지

준위의 궤도로 올라간 상태

바닥 상태 ←--------→ 들뜬 상태

에너지 준위: 낮다 에너지 준위: 높다

 

4) 전자 껍질(전자 궤도)

① 전자가 원자핵 주위를 원운동하는 불연속적인 궤도이다.

② 핵에서 가까운 순서부터 K, L, M, N, .... 의 순서로 부른다.

③ 전자 껍질의 에너지 준위는 핵에서 멀어질수록 커진다.

( K<L<M<N<O<P<.....).

* 선 스펙트럼 계열

가. 라이먼 계열: n≥2 인 전자 껍질에서 n=1 인 전자껍질로 전이할 때

⇒ 자외선 영역으로 가장 파장이 짧은 빛을 방출하는 계열임.

나. 발머 계열: n≥3 인 전자 껍질에서 n=2 인 전자 껍질로 전이할 때

⇒ 가시광선 영역임.

다. 파셴 계열: n≥4 인 전자 껍질에서 n=3 인 전자 껍질로 전이할 때

⇒ 적외선 영역으로 가장 파장이 긴 빛을 방출함

 

(2) 전자 배치

1) 다전자 원자의 전자 배치

① 원자 내의 전자는 에너지 준위가 낮은 전자 껍질부터 차례로 채워

진다.

② 각 전자 껍질에는 최대 2n2개까지 전자가 채워질 수 있다.

전자 껍질 K(n=1) L(n=2) M(n=3) N(n=4) O(n=5)

최대 수용

전자수(2n2) 2 8 18 32 50

에너지 상태 낮다 -------------------------------→ 높다

 

③ 가장 바깥쪽 전자 껍질에 채워지는 전자(최외각 전자)의 최대수는

8개이며, 최외각 전자가 8개로 되면 안정한 상태가 된다.

예) 1H:K(1), 2He:K(2), 8O:K(2)L(6),

10Ne:K(2)L(8), 12Mg:K(2)L(8)M(2), 15P:K(2)L(8)M(5),

18Ar:K(2)L(8)M(8), 19K:K(2)L(8)M(8)N(1),

* K 와 Ca의 전자배치

: M 껍질에는 최대 18개까지 전자가 들어갈 수 있으나 M 껍질의 일부

전자(10개)의 에너지 준위(3d)가 N 껍질의 일부 전자(2개)의 에너지

준위(4s)보다 높기 때문에 N 껍질에 2개의 전자가 먼저 채워지게

된다.

 

2) 원자가전자(최외각 전자)

: 전자 배치에서 가장 바깥쪽 전자 껍질에 들어가 있는 전자로, 원소의

화학적 성질을 결정한다.

3) 이온의 전자 배치

① 옥텟 규칙(octet rule): 가장 바깥쪽 전자 껍질에 8개의 전자가 채워 지면 안정하다.

② 최외각 전자가 8개가 되지 못한 원자는 전자를 얻거나 또는 잃어서

옥텟을 이루며 양이온 또는 음이온이 된다.

 

예) 11Na: K(2)L(8)M(1) → 11Na+: K(2)L(8) ⇒ 안정함.

13Al: K(2)L(8)M(3) → 13Al3+: K(2)L(8) ⇒ 안정함.

8O: K(2)L(6) → 8O2-:K(2)L(8) ⇒ 안정함.

17Cl:K(2)L(8)M(7) → 17Cl-: K(2)L(8)M(8) ⇒ 안정함.

 

(3) 현대적 원자의 모형과 전자 배치

1) 오비탈(궤도 함수): 전자가 핵 주위의 공간에 분포된 상태, 즉 전자가

발견될 확률 분포를 나타낸 함수.

① 오비탈의 모양

a. s 오비탈: 구형 대칭 모양으로 방향성이 없음.

b. p 오비탈: 아령 모양으로 방향이 서로 직교하는 3개의 오비탈이 존재함.

② 전자 껍질에 존재하는 오비탈의 종류와 수

 

전자 껍질 K(n=1) L(n=2) M(n=3) N(n=4)

오비탈의 종류 1s 2s, 2p 3s, 3p, 3d 4s, 4p, 4d, 4f

오비탈의 수 1 1, 3 1, 3, 5 1, 3, 5, 7

총 오비탈 수(n2) 1 4 9 16

전자의 수(2n2) 2 8 18 32

2) 다전자 원자에서의 에너지 준위

① 다전자 원자: 전자를 두 개 이상 가지고 있는 원자, 수소를 제외한

모든 원자가 포함된다.

② 다전자 원자의 에너지 준위

: 전자 껍질의 에너지 준위는 K<L<M<N<O<...의 순서대로 증가하고,

같은 전자 껍질 속에서의 오비탈의 에너지 준위는 s<p<d<f<......의

순서대로 증가한다.

 

 

 

 

3) 오비탈의 전자 배치

① 정상 상태에 있는 어떤 원소의 전자 배치는 가장 낮은 에너지 준위

에서 부터 높은 에너지 준위의 순서대로 배치된다.

1s→2s →2p →3s →3p →4s →3d →4p →5s →4d →5p →6s ......

② 한 개의 오비탈에는 전자가 2개만 채워질 수 있다.

⇒ 파울리의 배타 원리

③ 에너지 준위가 같은 오비탈에 전자가 채워질 때에는 전자들의

반발력 때문에 가능한 여러 개의 오비탈에 전자들이 분산되어 들어

가야만 반발력이 작아져서 안정해진다. ⇒ 훈트의 규칙

④ 홀전자: 원자가전자 중에서 짝짓지 않은 전자.

 

 

전자 껍질

원자번호 원소 K L M N 오비탈

1 H 1 1s1

2 He 2 1s2

3 Li 2 1 1s2 2s1

4 Be 2 2 1s2 2s2

5 B 2 3 1s2 2s2 2p1

6 C 2 4 1s2 2s2 2p2

7 N 2 5 1s2 2s2 2p3

8 O 2 6 1s2 2s2 2p4

9 F 2 7 1s2 2s2 2p5

10 Ne 2 8 1s2 2s2 2p6

11 Na 2 8 1 1s2 2s2 2p6 3s1

12 Mg 2 8 2 1s2 2s2 2p6 3s2

13 Al 2 8 3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

14 Si 2 8 4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

15 P 2 8 5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

16 S 2 8 6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

17 Cl 2 8 7 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

18 Ar 2 8 8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

19 K 2 8 8 1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

20 Ca 2 8 8 2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

21 Sc 2 8 8 3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

22 Ti 2 8 8 4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2

23 V 2 8 8 5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3

24 Cr 2 8 8 6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5

25 Mn 2 8 8 7 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5

26 Fe 2 8 8 8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

27 Co 2 8 8 9 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7

28 Ni 2 8 8 10 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8

29 Cu 2 8 8 11 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10

30 Zn 2 8 8 12 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

 

 

 

2. 주기율

1. 주기율과 주기율표

(1) 주기율

1) 주기율: 원소를 원자번호 순으로 나열할 때 화학적 성질이 비슷한

원소들이 일정한 간격을 두고 주기적으로 나타나는 현상

예) 3Li → 11Na → 19K → 37Rb → 55Cs → 87Fr

8 8 18 18 32

① 멘델레예프: 63종의 원소를 원자량의 순으로 나열하여 최최의

주기율 발견

② 모즐리: 원소를 원자번호 순으로 나열하여 현대의 주기율 완성

 

2) 주기율이 생기는 이유

: 원소의 화학적 성질을 지배하는 원자가전자(최외각 전자)의 수가

주기적으로 나타나기 때문이다.

 

(2) 주기율표

1) 주기율표: 주기율을 기준으로 원소들을 원자번호의 순으로 배열한 표

2) 주기율표의 구성

① 주기: 주기율표의 가로줄로, 1～7주기로 구분한다.

a. 각 주기에 포함된 원소수

주기 1 2 3 4 5 6 7

원소수 2 8 8 18 18 32 미완성

b. 주기 = 전자껍질수 ⇒ 같은 주기의 원소들은 모두 전자 껍질의

수가 같다.

② 족: 주기율표의 세로줄로, 1～18족으로 구분한다.

a. 전형원소에서 같은 족 원소들은 화학적 성질이 비슷하다.

b. 전형원소에서 족은 원자가전자수를 의미한다.

즉, 같은 족 원소들은 원자가전자수가 같다.

 

 

 

(3) 원소의 분류

1) 금속 원소와 비금속 원소

① 금속성: 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬운 성질, 환원성 또는 환원력

② 비금속성: 전자를 잃어 음이온이 되려는 성질, 산화성 또는 산화력

③ 양쪽성 원소: 산과도 반응하고 연기와도 반응하여 수소 기체를 발생

하는 원소 예) Al, Zn, Pb, Sn 등

Zn + 2HCl --→ ZnCl2 + H2↑

Zn + 2NaOH --→ Na2ZnO2 + H2↑

 

 

④ 금속 원소와 비금속 원소의 비교

구 분 금 속 원 소 비 금 속 원 소

주기율표상의 위치 왼쪽 아래에 위치 오른쪽 위에 위치

열, 전기 전도성 크다 작다

이온의 형성 양이온이 되기 쉽다 음이온이 되기 쉽다

상온에서의 상태 고체(Hg: 액체) 기체, 고체(Br:액체)

산화물 물에 녹아 염기성 물에 녹아 산성

 

2) 전형 원소와 전이 원소

① 전형 원소

: 주기율표의 1, 2족과 12～18족으로, 금속과 비금속 원소가 모두

존재함.

a. 같은 족의 원소는 원자가전자수가 같아서 성질이 비슷하다.

b. 같은 주기의 원소 사이에는 성질 변화가 뚜렷하게 나타난다.

② 전이 원소

: 주기율표의 3～11족까지의 원소로, 모두 금속으로 되어 있음.

a. 대부분 반응성이 작은 중금속이며 촉매로 사용되는 것이 많다.

b. 다양한 화합물을 형성하며, 이온이나 화합물은 색깔을 띠는 것이

많다.

 

* 주기율표에서 원소의 주기적 성질(꼭 외워야 할 내용임.)

왼쪽, 아래로 갈수록 오른쪽, 위로 갈수록

: 양이온이 되기 쉽다 : 음이온이 되기 쉽다

: 금속성(환원력)이 증가한다 : 비금속성(산화력)이 증가한다

: 원자반지름이 증가한다 : 원자반지름이 감소한다

: 이온화에너지가 감소한다 : 이온화에너지가 증가한다(18족)

: 전자친화도가 감소한다 : 전자친화도가 증가한다

: 전기음성도가 감소한다 : 전기음성도가 증가한다

: 산화물의 염기성이 증가한다 : 산화물의 산성이 증가한다

 

 

원소의 주기적 성질

(1) 원자 반지름

1) 원자(입자)의 크기에 영향을 미치는 요인

① 전자 껍질수

: 전자 껍질수가 많을수록 원자(입자)의 크기는 커진다.

② 핵과 전자간의 인력

: 핵과 전자간의 인력이 클수록 원자(입자)의 크기는 작아진다.

③ 전자 껍질 사이의 반발력

: 전자 껍질 사이의 반발력이 클수록 원자(입자)의 크기는 커진다.

 

2) 원자 반지름

① 같은 족 원소

: 원자번호가 증가할수록 전자 껍질수가 증가하기 때문에 원자반지름

이 커진다.

② 같은 주기의 원소

: 원자번호가 증가할수록 전자 껍질수는 변화가 없으나, 양성자수가

증가하여 핵과 전자간의 인력이 증가하기 때문에 원자 반지름은

작아진다.

 

3) 이온 반지름

① 양이온 : 중성 원자가 전자를 잃어서 형성된 이온

a. 양이온 반지름<원자 반지름 ⇒ 전자를 잃어 전자 껍질수가 줄어들기

Na+<Na 때문에

b. 같은 주기에서 전하수가 클수록 이온 반지름이 작아진다. Li+>Be2+

⇒ 양성자수가 늘어나 핵과 전자간의 인력이 증가하기 때문에

c. 같은 족에서 원자번호가 증가할수록 이온 반지름이 증가한다. Na+>Li+

⇒ 전자 껍질수가 증가하기 때문에

 

② 음이온 : 중성 원자가 전자를 얻어서 형성된 이온

a. 음이온 반지름>원자 반지름 ⇒ 전자수가 늘어나 전자들간의 반발력

이 Cl->Cl 커지기 때문에

b. 같은 주기에서 전하수가 클수록 이온 반지름이 크다. F-<O2-

⇒ 양성자수가 적고 전자들간의 반발력이 커지기 때문에

c. 같은 족에서 원자번호가 증가할수록 이온 반지름이 크다. F-<Cl-

⇒ 전자 껍질수가 증가하기 때문에

 

 

 

 

(2) 이온화에너지

1) 이온화에너지 : 기체 상태의 원자로부터 전자 1몰을 떼어내는데 필요한

에너지 ⇒ 이온화에너지(E)가 크면 전자를 떼어내기 어렵다.

M(g) + E(이온화에너지) → M+(g) + e-

2) 이온화에너지의 주기성

① 같은 족: 원자번호가 증가할수록 이온화에너지는 작아진다.

⇒ 원자번호가 증가할수록 전자 껍질수가 늘어나 핵과 전자간의 인력이

약해지기 때문에

② 같은 주기: 원자번호가 증가할수록 이온화에너지는 커진다.

⇒ 같은 주기에서는 원자번호가 증가할수록 양성자수가 늘어나 핵과

전자간의 인력이 커지기 때문에

 

3) 순차적 이온화에너지 : 중성 원자에서 단계적으로 전자를 떼어낼 때

필요한 에너지

① 순차적 이온화에너지의 크기: E1 < E2 < E3 < E4 ......

② 안정한 상태가 되면 순차적 이온화에너지가 급격히 증가한다.

⇒ 원자가전자수 예측. 예) E1 < E2 << E3 < E4...... 원자가전자 2개

 

4) 순차적 이온화에너지(KJ/몰)와 원자의 성질

족 원자 원자가전자 순차적 이온화에너지 화합물

1 11Na 1개(3s1) 495.9<<4582.2<6942.6 Na2O, NaCl

2 12Mg 2개(3s2) 736.6<1449<<7719.6<10609.2 MgO, MgCl2

3 13Al 3개(3s2 3p1) 579.6<1822.8<2755.2<<11621.4 Al2O3, AlCl3

 

(3) 전자 친화도: 기체 상태의 원자가 전자 1몰과 결합하며 방출하는 에너지

X(g) + e- → X-(g) + E(전자 친화도)

1) 같은 주기에서 원자번호가 증가할수록 전자친화도는 커진다.

2) 같은 족에서 원자번호가 증가할수록 전자친화도는 감소한다.

3) 전자친화도가 커질수록 전자를 쉽게 받아들여 음이온이 되기 쉽다.

 

(4) 전기음성도 : 원자 사이에 공유결합을 형성하였을 때, 그 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘의 상대적 세기를 숫자로 나타낸 척도.

1) 같은 주기에서 원자번호가 증가할수록 전기음성도는 커진다.

2) 같은 족에서 원자번호가 증가할수록 전기음성도는 작아진다.

 

 

 

 

 

 

(1) 비활성 기체

1) 비활성 기체 : 주기율표의 18족 원소

⇒ 2He, 10Ne, 18Ar, 36Kr, 54Xe, 86Rn

 

2) 비활성 기체의 성질

① 원자가전자가 8개(He은 2개)이므로 다른 원소와 반응하지 않음.

⇒ 비활성 기체라고 함.

② 분자간 인력이 약하기 때문에 녹는점, 끓는점이 매우 낮음.

녹는점, 끓는점의 크기: He<Ne<Ar<Kr<Xe<Rn

원자 반지름: He<Ne<Ar<Kr<Xe<Rn

③ 각 주기에서 이온화에너지가 가장 크다.

⇒ 가장 안정한 전자배치(원자가전자가 8개)를 이루고 있기 때문에.

④ He, Ne, Ar, Kr 등을 낮은 압력에서 방전하면 각각 다른 색깔의

빛을 낸다.

* 방전시 불꽃 색깔

He : 분홍 띤 보라색 Ne : 빨강색

Ar : 보라색 Kr : 엷은 보라색

Xe : 파랑색

⑤ 비활성 기체는 단원자(1원자) 분자로 존재함.

⑥ 비활성 기체는 공기중에 약 1% 정도 들어 있으므로 공기를 액화

시킨 다음 분별증류하여 얻는다.

⑦ He은 끓는점이 매우 낮으므로 초전도성 연구에 이용되고, 그 외에

원자로의 냉각제, 레이저, 광고용 비행선, 잠수부의 호흡용으로

이용됨.

⑧ Ne은 방전할 때 나타나는 노란색을 띤 붉은 빛을 광고에 사용함.

⑨ Ar은 전구에 넣어 필라멘트의 산화 방지를 하며, Ar 기체 속에서

용접을 하면 금속의 산화를 방지할 수 있어 제품의 질을 높인다.

⑩ 이온화에너지가 작은 Xe은 F와 화합물을 만들수 있음.

⇒ XeF2, XeF4, XeF6

 

 

(다) 알칼리 금속

(1) 알칼리 금속의 성질

1) 물리적 성질

① 가볍고 매우 연하며, 은백색 광택을 띤다.

② 원자번호가 증가할수록 결합력이 약해지므로 녹는점과 끓는점이

낮아진다.

⇒ 녹는점,끓는점의 크기: Li>Na>K>Rb>Cs

 

 

2) 화학적 성질

① 원자가전자가 1개이므로 반응성(금속성)이 매우 크다.

a. 이온화에너지가 매우 작아 +1가의 양이온이 되기 쉽다.

⇒ 이온화에너지의 크기: Li>Na>K>Rb>Cs

b. 원자번호가 증가할수록 핵과 전자간의 인력이 약해지므로 전자를

떼어내기 쉬우므로 반응성이 커진다.

⇒ 반응성의 크기: Li<Na<K<Rb<Cs

② 화학적 활성이 매우 커서 O2, H2, X2(할로겐), S 등과 활발히 반응

한다.

예) 4Na + O2 → 2Na2O, 2Na + H2 → 2NaH

2Na + Cl2 → 2NaCl, 2Na + S → Na2S

③ 물, 알코올과 반응하여 수소기체를 발생한다.⇒ -OH 의 검출에 이용

예) 2M + 2H2O → 2MOH + H2↑, 2M + 2C2H5OH → 2C2H5OM + H2↑

④ 고온의 산화 불꽃 속에서 특유의 불꽃색을 나타낸다.⇒불꽃반응 실험

⇒ 알칼리 금속의 검출 방법, Li - 빨강색 Na - 노랑색 K - 연보라색

Rb - 심적색 Cs - 연파랑색

⑤ 원자반지름의 크기: Li<Na<K<Rb<Cs

⑥ 알칼리 금속의 보관 방법: 석유나 벤젠, 액체 파라핀 속에 보관한다.

* 불꽃 반응 실험

: 염의 수용액을 백금선 끝에다 묻혀 고온의 불꽃 속에 가져가면 염의

수용액 속에 있는 알칼리 금속에 의해 특유한 불꽃색이 나타난다.

 

(2) 알칼리 금속의 화합물과 그 성질

1) 수산화나트륨(NaOH)

① 진한 염화나트륨 수용액을 전기분해하여 얻는다.

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑ ⇒ 격막법, 수은법

(-)극 (+)극

② 흰색의 조해성 고체로, 물에 잘 녹으며 강한 염기성을 갖는다.

NaOH(s) → Na+(aq) + OH-(aq)

③ 공기중의 CO2 를 잘 흡수하여 Na2CO3을 형성한다.

2NaOH + CO2 → H2O + Na2CO3 (세탁비누 표면에 흰 가루 형성)

 

2) 탄산나트륨과 탄산수소나트륨

① NaCl 포화 수용액에 NH3 와 CO2를 통하여 만든다.(솔베이법)

NaCl + H2O + NH3 + CO2 → NaHCO3 + NH4Cl

② Na2CO3 이나 NaHCO3 은 모두 수용액에서 염기성을 나타내며, 산과 반응하여 CO2 기체를 발생한다.

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2↑

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2↑

 

③ NaHCO3 을 가열하면 CO2 기체를 발생하며 Na2CO3이 생성된다.

2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2↑

④ Na2CO3 용액에 CaCl2 용액을 가하면 CaCO3의 흰색 앙금이 생성

된다.

Na2CO3 + CaCl2 → 2NaCl + CaCO3↓

 

2. 알칼리 토금속과 그 화합물

(1) 알칼리 토금속과 그 성질

1) 알칼리 토금속 : 4Be, 12Mg, 20Ca, 38Sr, 56Ba, 88Ra

2) 알칼리 토금속의 성질

① 원자가전자가 2개로 +2가의 양이온이 되기 쉽다.

② 반응성은 알칼리 금속보다 약하다.

예) Na>Mg, K>Ca, 알칼리 토금속의 반응성 : Be<Mg<Ca<Sr<Ba<Ra

③ 물과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다.

예) Be + H2O → 반응 안함

Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2↑ ⇒ 끓는 물과 반응함

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑ ⇒ 찬물과 반응

④ 산과 반응하여 수소 기체를 발생함.

Be + 2HCl → BeCl2 + H2↑

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑

Ca + 2HCl → CaCl2 + H2↑

⑤ 알칼리 금속보다 단단하며 밀도, 녹는점, 끓는점 등이 높다.

예) 밀도: Na<Mg, K<Ca

녹는점, 끓는점: Na<Mg, K<Ca

원자 반지름: Na>Mg, K>Ca

⑥ 알칼리 토금속의 염화물, 질산염은 물에 잘 녹으며, 탄산염과

Be, Mg 이외의 황산염은 물에 녹지 않는다.

⑦ Be, Mg 을 제외한 알칼리 토금속은 불꽃 반응을 한다.

⇒ Ca - 주황색, Sr - 심적색, Ba - 초록(연두)색, Ra - 분홍색

 

(2) 알칼리 토금속의 화합물과 그 성질

1) 수산화칼슘( Ca(OH)2 )

① 물에 약간 녹으며 수용액은 강한 염기성을 나타낸다.

Ca(OH)2 + CO2 → Ca2+(aq) + 2OH-(aq)

② 수산화칼슘의 포화 수용액을 석회수라 하며, CO2를 가하면 흰색

앙금을 형성하므로 뿌옇게 흐려진다. ⇒ CO2 의 검출에 이용됨.

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O

 

 

 

2) 탄산칼슘(CaCO3)

① 석회석, 대리석, 조개껍질 등의 주성분이다.

② 물에는 녹지 않으나 CO2가 녹아 있는 물에는 녹는다.

③ 묽은 산과 반응하거나 고온으로 가열하면 분해되어 CO2를 발생한다.

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑

CaCO3 → CaO + CO2↑

 

(4)할로겐 원소

1) 물리적 성질

① 상온에서 2원자 분자의 홑원소 물질로 존재한다.

② 원자번호가 증가할수록 결합력이 강해지므로 녹는점, 끓는점 등이

증가한다. ⇒ F2<Cl2<Br2<I2

2) 화학적 성질

① 원자가전자가 7개이므로 반응성(비금속성)이 매우 크다.

⇒ 반응성(산화력): F2>Cl2>Br2>I2

② 전자친화도가 커서 전자를 얻어 -1가의 음이온이 되기 쉽다.

③ 알칼리 금속 및 수소와 반응하여 화합물을 형성한다.

⇒ 2Na + Cl2 → 2NaCl, H2 + Cl2 → 2HCl

3) 할로겐 홑원소 물질

① 플루오르(F2)

a. 비금속중 반응성이 가장 커서 자연계에 홑원소 물질로 존재하지

않는다.

b. 상온에서 담황색의 자극성 기체로, KHF2를 용융 전기 분해하여

얻는다.

2KHF2 → F2 + 2KF + H2

② 염소(Cl2)

a. 상온에서 황록색을 띠는 자극성 기체로, 반응성이 크다.

b. 실험실에서 이산화망간에 진한 염산을 반응시켜서 얻는다.

MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2↑

c. 물에 녹아 살균, 표백 작용을 한다.

Cl2 + H2O → HCl + HClO

 

③ 브롬(Br2)

a. 상온에서 적갈색을 띠며, 유일한 비금속의 액체 홑원소 물질이다.

b. 휘발성이 강하여 상온에서 유독성 증기를 발생한다.

④ 요오드(I2)

a. 상온에서 검은 보라색(흑자색)을 띠는 고체로, 승화성이 있음.

b. 녹말과 반응하여 청자색을 나타낸다.(요오드 - 녹말 반응)

 

 

(5) 할로겐의 화합물

1) 할로겐화수소(HX)

① 모두 상온에서 기체이며, 물에 녹아 할로겐화수소산으로 되어 산성을

띤다. ⇒ 산성의 세기: HF<HCl<HBr<HI

② HF(플루오르화수소)

a. 무색의 자극성 기체로, 수용액은 약한 산성을 띤다.

b. 석영이나 유리를 녹이므로 납이나 폴리에틸렌 용기에 보관한다.

SiO2 + 4HF → SiF4↑+ 2H2O

Na2SiO3 + 6HF → 2NaF + 3H2O + SiF4↑

c. 형석(CaF2)과 진한 황산을 반응시켜 얻는다.(납 용기속에서)

CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF↑

③ HCl(염화수소)

a. 무색의 자극성 기체로, 공기보다 무겁다.

b. 물에 매우 잘 녹으며, 수용액은 강한 산성을 나타낸다.

c. 암모니아와 만나면 흰 연기(염화암모늄)를 형성한다.

NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s) ⇒ NH3의 검출에 이용됨.

 

2) 할로겐화수소의 성질

① 안정성 : HF>HCl>HBr>HI

② 끓는점 : HF>HI>HBr>HCl

 

3) 할로겐화은(AgX)

① 물에 대한 용해성: 물에 잘 녹지 않음. 용해도 ⇒

AgF>>AgCl>AgBr>AgI

② Ag+ + F- → AgF(무색, 물에 용해됨)

Ag+ + Cl- → AgCl↓(흰색 침전)

Ag+ + Br- → AgBr↓(연노란색 침전)

Ag+ + I- → AgI↓(노란색 침전)

 

4) 할로겐의 산소산

: 플루오르를 제외하고 모두 산소산을 만들고 산소수가 많을수록 산성 이 강함.

산성의 세기 : HClO4 > HClO3 > HClO2 > HClO

 

 

 

 

 

 

 

(라) 제 2, 3주기 원소

** 2주기 원소 : 3Li, 4Be, 5B, 6C, 7N, 8O, 9F, 10Ne

3주기 원소 :11Na, 12Mg, 3Al, 14Si, 15P, 16S, 17Cl, 18Ar

 

(1) 알루미늄(Al)

1) 제법 : 보크사이트(Al2O3) 광석을 용융 전기분해하여 얻는다.

Al2O3 → 2Al3+ + 3O2- (+)극: 3O2- → 3O + 6e-(산화)

(-)극: 2Al3+ + 6e- → 2Al(환원)

2) 성질

① 은백색의 연한 금속으로, 산소 속에서 가열하면 강한 빛을 내면서

탄다. 또한 열 및 전기 전도성이 매우 좋고 연성과 전성이 크다.

② 공기 속에서 표면에 얇고 흰 산화막(Al2O3)을 형성하여 내부를 보호

한다.

③ 환원력이 강하므로 고온에서 여러가지 금속 산화물을 환원시키는데,

이때 많은 열이 발생한다.

예) 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe ⇒ 테르밋 반응

* 테르밋 반응: Al과 Fe2O3의 가루를 1:1로 혼합한 것을 테르밋이라

하며, 철의 용접 및 소이탄에 이용

2Al + Cr2O3 → Al2O3 + 2Cr ⇒ 골트슈미트법: 금속의 야금에 이용

④ 산, 염기와 모두 반응하여 수소 기체를 발생한다(양쪽성 원소)

예) 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑

2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2↑

⑤ 진한 질산과는 표면에 치밀한 산화막을 형성하여 녹지 않는다

(부동태)

 

(2) 탄소(C)

1) 다이아몬드, 흑연, 코크스, 숯, 활성탄 등의 다양한 동소체를 갖는다.

2) 다이아몬드는 탄소 원자 사이의 결합이 정사면체의 그물 구조로 광택 이 있고 매우 단단하며, 흑연은 평면육각형의 판상 구조로 결합력이

약해 무르고 전기 전도성이 있다.

 

2. 2, 3주기 원소의 산화물

(1) 산화물의 분류

1) 산성 산화물(비금속 산화물)

: 비금속 원소의 산화물로, 염기와 중화반응을 하여 염과 물을 생성한다.

예) CO2, SO2, SO3, NO2, SiO2, P4O10, Cl2O7 등

2) 염기성 산화물(금속 산화물)

: 금속 원소의 산화물로, 산과 중화반응을 하여 염과 물을 생성한다.

예) Li2O, Na2O, MgO, K2O, CaO 등

3) 양쪽성 산화물

: 양쪽성 원소의 산화물로 산, 염기 모두와 반응하여 염과 물을 생성한다.

예) Al2O3, ZnO, PbO, SnO 등

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O

Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O

 

1족 2족 13족 14족 15족 16족 17족

Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 SO3 Cl2O7

←--------------------------------------------→

염기성 양쪽성 산성

(2) 몇 가지 산화물의 성질

1) 이산화탄소(CO2)

① 공기보다 무거운 무색, 무미, 무취의 기체로, 탄소나 탄소 화합물의

연소 또는 생물의 호흡, 물질이 부패할 때 발생되는 기체임.

② 석회석에 묽은 염산을 반응시켜서 얻는다.

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑

③ 드라이아이스는 승화성이 있다. ⇒ 승화열을 이용하여 냉동제로

이용됨.

④ 물에 녹으면 탄산이 되며, 그 일부가 이온화한다.

⑤ 석회수를 통하면 흰 앙금이 생기므로 뿌옇게 흐려지나 이 용액에

계속 CO2를 넣어주면 탄산수소칼슘으로 다시 녹아 용액은 처음처럼

맑아진다.

⇒ CO2의 검출 반응에 이용됨. 석회암 동굴의 생성 반응.

⑥ 산성 산화물로서, NaOH와 같은 염기에 잘 흡수됨.

CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O ⇒ 비누 표면에 흰 가루가

생기는 반응

 

2) 이산화황(SO2)

① 실험실에서 구리에 진한 황산을 반응시켜 얻는다.

Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + 2H2O + SO2↑

② 공기보다 무거운 유독성 기체로, 물에 녹아 아황산이 되며 산성을 띤다.

SO2 + H2O → H2SO3

③ 발생기 수소에 의한 환원성이 있어 물에 적신 꽃잎을 탈색시킨다.

SO2 + 2H2O → H2SO4 + 2〔H〕

 

 

 

 

 

 

4. 황산(H2SO4)

1) 제법: 백금이나 오산화바나듐 촉매를 이용한 접촉법으로 얻는다.

2SO2 + O2 ----→ 2SO3 ----→ 2H2SO4

2) 성질

① 무색의 점성이 강한 무거운 액체(비중 1.84)이다.⇒ 비휘발성산

② 흡습성이 강하다.⇒ 산성기체(Cl2, HCl, H2S 등)의 건조제로 이용

③ 물에 녹을 때 많은 열이 발생한다.⇒ 물에 진한 황산을 조금씩 가하며

묽힌다.

④ 탈수성이 있어 화합물에서 H와 O를 2:1, 즉 H2O의 형태로 빼앗는다.

C12H22O11(설탕) ----→ 11H2O + 12C ⇒ 설탕이 검게 변한다.

⑤ 가열된 진한 황산은 산화력이 있어 Cu, Ag 등과 반응한다.

Cu + 2H2SO4 --→ CuSO4 + 2H2O + SO2↑

 

5. 질산(HNO3)

1) 제법: 공업적으로는 암모니아를 이용한 오스트발트법에 의해 제조된다.

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

2NO + O2 --→ 2NO2

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

2) 성질 및 이용

① 무색의 발연성 액체로, 빛에 의해 분해된다. ⇒ 갈색병에 보관

② 묽은 질산, 진한 질산 모두 산화력이 강하여 Cu, Ag 등과 반응한다.

3Cu + 8HNO3 --→ 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO↑

Cu + 4HNO3 --→ Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2↑

③ Fe, Ni, Al과 같이 반응성이 큰 금속을 질산에 넣으면 금속표면에

산화물 피막을 형성하여 금속 내부를 보호한다. ⇒ 부동태 형성

④ 왕수: HCl : HNO3을 3 : 1의 부피비로 섞은 산으로, 산화력이 강하여

금, 백금과 같이 녹기 어려운 귀금속을 녹인다.

 

수소 화합물

1. 암모니아(NH3)

1) 제법: 공업적으로는 하버법으로 얻는다.

N2(g) + 3H2(g) --→ 2NH3(g)

2) 성질 및 이용

① 무색의 자극성 기체로, 공기보다 가볍다. ⇒ 상방치환법으로 포집

② 물에 매우 잘 녹으며, 물에 녹아 염기성을 띤다.

NH3(g) + HCl(l) ⇄ NH4+ + OH- ⇒ 이 용액을 암모니아수라고 한다.

③ 액화하기 쉬우며, 기화열이 커서 냉동제로 사용된다.

④ 염화수소와 번응하여 흰 연기를 낸다.

NH3(g) + HCl(g) --→ NH4Cl(s) ⇨ HCl의 검출 반응에 이용

 

2. 황화수소(H2S)

1) 제법: 킵 장치에서 황화철을 묽은 산과 반응시켜서 얻는다.

FeS + 2HCl --→ FeCl2 + H2S↑

FeS + H2SO4 --→ FeSO4 + H2S↑

2) 성질 및 이용

① 달걀 썩는 냄새를 갖는 유독성 기체로, 물에 녹아 약한 산성을 띤다.

H2S ⇄ H+ + HS-

HS- ⇄ H+ + S2-

② 환원력이 있어 여러 물질과 반응하여 황을 유리시킨다.

H2S + Cl2 --→ 2HCl + S ⇨ H2S는 Cl2를 환원시키는 환원제로

이용됨.

③ 금속 이온과 다양한 색의 앙금을 형성한다. ⇨ 금속 이온의 검출에

이용됨.

M+ + H2S --→ 2H+ + MS↓

⇨ CuS(검은색), CdS(노란색), ZnS흰색) 등

 

3. 그 밖의 수소화합물

1) 2주기 수소화합물

LiH, BeH2, BH3, CH4, NH3, H2O, OF2

2) 3주기 수소화합물

NaH, MgH2, AlH3, SiH4, PH3, H2S, HCl

 

 

  

 

1. 전이원소

(1) 전이원소 : 3～11족 원소로, 4주기 이후에 나타나며 모두 금속이다.

(2) 전이원소의 특성

1) 부분적으로 채워진 d 또는 f 오비탈을 가진 원소이다.

2) 모두 밀도가 큰 중금속으로, 녹는점이 높고 활성이 작다.

3) d오비탈이 화학결합에 관여하므로 여러 가지의 산화수를 갖는다.

4) 착이온을 형성하기 쉬우며, 이온이나 화합물은 색깔을 띠는 것이 많다.

(3) Cr, Mn, Fe 원자와 이온의 전자 배치

1) 24Cr: 3d5 4s1 Cr2+: 3d4 Cr3+: 3d3

2) 25Mn: 3d5 4s2 Mn2+: 3d5 Mn3+: 3d4

3) 26Fe: 3d6 4s2 Fe2+: 3d6 Fe3+: 3d5

 

2. 전이원소와 그 화합물

(1) Cr과 그 화합물

1) 크롬산칼륨(K2CrO4): 노란색 결정으로, 산성용액에서 Cr2O72-을 낸다.

2) 중크롬산칼륨(K2Cr2O7): 주황색 결정으로, 염기성용액에서 CrO42-을

낸다.

CrO42-(노란색) ⇄ Cr2O72-(주황색)

(2) Mn과 그 화합물

1) 이산화망간(MnO2): 검은색 가루로 촉매, 산화제 등으로 쓰인다.

예) 2KClO3 --→ 2KCl + 3O2↑ ⇦ 촉매로 이용됨

MnO2 + 4HCl --→ MnCl2 + 2H2O + Cl2↑ ⇦ 산화제로 사용됨

2) 과망간산칼륨(KMnO4): 흑자색 결정으로, 강한 산화제이다.

예) MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ --→ Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O

(3) Fe과 그 화합물

1) 철의 제련: 용광로에 코크스(C)와 철광석을 넣고 가열하여 산화철을

철로 환원시킨다.

2C + O2 --→ 2CO

Fe2O3 + 3CO --→ 2Fe + 3CO2 ⇨ 용광로에서 철을 얻는 반응

Fe3O4 + 4CO --→ 3Fe + 4CO2

2) 철의 부식: 철 표면에서 산소나 수증기와 반응하여 산화물을 형성하는

현상

4Fe + 3O2 --→ 2Fe2O3, Fe2O3 + nH2O --→ Fe2O3․nH2O(철의 녹)

 

(4) Cu와 그 화합물

1) 습한 공기중에서 녹색의 녹을 만들어 내부를 보호한다.

2Cu + H2O + CO2 + O2 --→ CuCO3․Cu(OH)2 (염기성 탄산구리)

2) 산화력이 강한 산(묽은 황산, 진한 질산, 묽은 질산)에 녹아 SO2, NO2,

NO 등의 기체를 발생한다.

3) 황산구리(CuSO4․5H2O): 푸른색 결정으로, 가열하면 결정수를 잃어

흰색의 무수 황산구리가 된다.

CuSO4․5H2O --→ CuSO4 + 5H2O ⇨ 미량의 수분 검출에 이용

 

3. 착이온

(1) 착이온: 중심 금속 이온에 비공유 전자쌍을 가진 이온이나 분자(리간드)

가 배위 결합하여 만들어진 다원자 이온

1) 중심 이온: 주로 전이원소의 이온 예) Ag+, Zn2+, Cu2+, Co3+, Fe3+ 등

2) 리간드: 비공유 전자쌍을 가진 분자나 이온 예) H2O, NH3, CN-

 

(2) 착이온의 생성

Ag+ Ag2O Ag(NH3)2+

Zn2+ --→ Zn(OH)2 --→ Zn(NH3)42+

Cu2+ Cu(OH)2 Cu(NH3)42+

 

(3) 착이온의 입체구조

1) 착이온의 배위수는 중심 금속 이온의 전하수나 리간드의 종류에 관계

없이 중심 금속 이온의 고유한 값이며, 배위수에 따라 입체구조가 결정

된다.

2) 배위수와 착이온의 모양

Ag(NH3)2+ Cu(NH3)42+ Fe(CN)63-

직선형 사각평면형 정팔면체형

3) 중요한 착이온과 배위수

배위수 착이온의 모양 오비탈 착이온의 예

2 직선형 sp Ag(NH3)2+, Ag(CN)2-

4 정사면체형 sp3 Zn(NH3)42+, Cd(NH3)42+

4 사각평면형 dsp2 Cu(NH3)42+, Ni(CN)42-

6 정팔면체형 d2sp3 Co(NH3)63+, Co(CN)63-

 

 

출처 : 테리우스 만점과탐

글쓴이 : 럭셔리 테리우스 원글보기

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