원자의 구조

원자의 구조

 

1. 원자의 구성입자
중심부에 (＋)전하를 띠는 양전하와 중성자를 가진 원자핵과 그 주위에 (－)전하를 띠는 전자들로 구성
→ 원자핵과 전자의 전하량이 같으므로 전기적으로 중성을 띤다.

1) 전자
1897년 톰슨 : 음극선 진로에 전기장 → (+)극 쪽으로 휨, (-)전하를 띈 작은입자
- 음극선은 음극면에서 수직으로 나와 직진한다.
- 음극선은 물체에 닿으면 압력을 미친다.(질량을 가지고 있다)
- 음극선은 자기장 내에서 (+)극을 향해 굽어진다.(즉 음극선은 (-)전하를 띠고 있다)

2) 원자핵
1911년 러더퍼드 : 입자 산란실험 → 원자는 대부분 빈공간, 중심부에 양전하를 띤 질량 대부분을 차지하는 곳

3) 원자의 질량
(양성자 + 중성자)의 질량. 전자의 질량 ≒ 0, 양성자 질량 ≒ 중성자 질량

2. 원자번호와 질량수

1) 동위원소
원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소. 화학적 성질은 같고 물리적 성질은 다르다.
동위원소는 화학적 방법으로는 분리할 수 없고 보통 물리적인 방법 즉 질량분석기로
분석한다. 대부분의 원소는 동위원소로 구성되어 있다.

2) 원자모형의 변천
① 돌턴(1807년)
가) 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 된 공 모형
나) 화학반응의 성질을 설명할 수 있는 이론적 토대 마련
② 톰슨(1903년)
가) (+)전하를 띤 공에 전자가 파묻혀 있는 모형
나) 원자의 전기적 성질 일부 설명
다) 양성자수, 배열상태, 이온경향성 차이 설명 못함
③ 러더퍼드(1911년)
가) 중심에 원자핵 주위를 전자가 돌고 있는 모형
나) 행성모형
④ 보어(1913년)
가) 전자가 일정한 궤도를 도는 모형
나) 수소원자 스펙트럼 결과에 의함
다) 궤도가 띄엄띄엄 존재, 궤도 바뀔 때 에너지 출입(궤도 모형)
⑤ 현대적 모형
가) 어느 공간에서 전자를 발견할 확률을 계산하여 구름처럼 나타낸 모형(오비탈모형)
나) 슈뢰딩거 등에 의한 양자역학을 토대로 제시

3. 현대적 원자 모형
전자는 어느 한 순간에 그 위치와 운동량처럼 두 가지의 양을 동시에 측정할 수 없다. 이것을 불확정성의 원리라고 하는데, 이 때문에 전자는 발견될 확률에 따라서만 나타낼 수 있다. 이런 전자 발견 확률에 따라 점을 찍어 보면 마치 전자가 구름처럼 나타난다고 해서 전자 구름 모형 또는 오비탈 모형이라고 부른다.

1) 오비탈(orbital)
원자핵 주위에서 전자를 발견할 수 있는 확률을 나타내는 확률 함수 또는 그 함수의 공간적 모양
① 종류 : s(1개), p(3개), d(5개), f(7개)....
② 에너지 준위의 순서(주양자수 n값이 같을 경우) : s < p < d < f....
③ 오비탈의 모양
→ s 오비탈 : 구형이며, 방향성이 없다. 주양자수와 함께 1s , 2s 등으로 표시.
→ p 오비탈 : 축이 직교하는 아령 모양의 오비탈로 3종류가 존재(px, py ,pz)

2) 양자수
전자의 에너지 상태와 전자 구름의 모양, 방향성을 나타내는 정수
① 주양자수(n) : 전자의 에너지 준위를 나타내는 것으로 =1, 2, 3, ...이며 전자 껍질을 나타낸다.
② 방위 양자수(l)(부양자수) : 전자 껍질(오비탈)의 모양을 결정
③ 자기 양자수(m) : 전자 구름의 방향과 궤도면의 위치를 결정하는 것

3) 전자 배치의 규칙

규칙1) 핵으로부터 차례로 K, L, M, N... 껍질이 있으며, 에너지 준위가 낮은 전자 껍질부터 배치된다. 핵에서 멀어질수록 에너지 준위가 커진다.
→ 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s
규칙2) 각 껍질에 들어갈 수 있는 최대 전자 수는 2n2
K ; n=1, L ; n=2, M ; n=3... ∴ K 껍질 2개, L 껍질 8개, M 껍질 18개, N 껍질에는 32개..
규칙3) s - 오비탈 1개, p - 오비탈 3개, d - 오비탈 5개, f - 오비탈 7개...를 갖는다.
규칙4) 가장 바깥 껍질에 들어가는 전자는 8 개 (단, K 껍질이 가장 바깥 껍질이면 2 개를 넘을 수 없다.)

(파울리의 배타원리)
한 개의 오비탈에는 스핀방향이 반대인 전자가 2개까지만 가능

(훈트의 규칙)
에너지 준위가 같은 오비탈에서 각각 하나씩 채워진 다음 짝을 지음

(옥텟 규칙)
→ 주기율표를 보면 가장 안정한 전자 배치를 갖는 원소가 비활성 기체인데, 이 원소들은 He의 경우만 가장 바깥 껍질에 2 개의 전자가 있고, 그밖의 원소들은 모두 가장 바깥 전자가 8 개이다.
→ 가장 바깥 전자가 8 개일 때가 가장 안정하다는 것인데, 이 규칙을 "옥텟 규칙"이라고 한다.

(원자가 전자와 홀전자)
(가) 원자가 전자 - 가장 바깥 전자껍질에 배치된 전자
(나) 홀전자 - 원자가 전자 중 짝짓지 않은 전자