화학 기초 정리 원자구조, 전자 옥텟 규칙, 탄소화합물 알테인

원자구조, 전자 옥텟 규칙, 탄소화합물 알테인

 

화학이 식량문제, 의류문제, 주거문제해결에 기여한 사례정리 

 식량부족문제  = 식물 성장에 필요한 질소의 원료가 되는 암모니아를 합성했다. 

질소 ( 이전에는 동물의 사체나 배설물을 사용했음) 

공기중에 질소기체 70% 차지 (공기중에 질소분자는 사용하기 어려움)

20세기초 화학자 하버는 공기중에 있는 질소와 수소기체를 합쳐서 암모니아 만드는 것을 개발 

 

의류문제  = 천연 섬유를 대체할 합성 섬유 나일론을 개발했다. 

천연 섬유 : 면, 마, 동물가죽

화약공장 듀폰 :캐러더스는 석유, 천연가스로 최초의 합성 섬유"나일론"개발 

 

주거문제 = 나무, 돌 등의 천연 건축 재료를 대체할 철근, 콘크리트 등을 개발했다. 

 

천연재로 : 나무, 돌, 흙(건축 기간이 길고, 견고하지 않다) 

철광석은 철근 (쉽게 녹슨다) + 시멘트는 콘크리트 ( 당기는 힘에 약하다)=  (철근 콘크리트 수명이 길고 단단하다 )

 

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* 원자, 원소, 양성자 

원소 ( 더이상 분해되지 않는) 물질을 이루는 기본 성분  (세상의 모든 물질은 118가지)

원자  

양성자 

원자 번호 원자핵의 전하량은 = 전자의 개수와 같다 

 

 

돌턴/단단한 공모형 -전자의발견-> 톰슨/ 푸딩모형 -원자핵의발견-> 러더퍼트/행성모형-수소원자의 선 스펙트럼 해석 ->닐스보어/궤도모형

*과학자  보어 -> 궤도 모형 

 

보어가 제시한 원자의 구조를 보자! 

1. 전자는 원자핵 주위의 특정한 궤도(전자껍질)를 따라 운동한다. 

2. 전자 껍질은 에너지 준위(energy level)가 서로 다르다. 

가장 안쪽껍질 에너지 낮음 (안정함), 바깥껍질 에너지 높음(불안정함) 

3. 전자는 안쪽 껍질(에너지가 낮은 껍질)부터 채워진다. 

4. 첫번째 껍질에는 전자2개까지, 두번째 껍질에는 전자 8개까지 채워질 수 있다. 

* 1번부터 18번 전자번호까지 보통 사용됨 / 20번부터는 오비탈 

 

보어의 전자배치를 통해 알 수 있는 사실 

1. 3주기까지  가로줄(주기)에 있는 원소들은 전자껍질의 수가 같다. 

2. 같은 세로줄(족)에 있는 원소들은 가장 바깥 껍질에 있는 전자의 수가 같다. 

* 가장 바깥쪽 껍질을  원자가 전자라고 함. 

원자가 전자의 수가 같으면 비슷한 성질을 나타냄 

ex) 리튬 나트륨은 전자 1개를 잃고 Li+, Na+의 양이온이 됨

최외각 전자는 바깥에 있는 전자 

원자가 전자는 바깥에 있는 전자이면서 다른 원자와 결합에 참여하는 전자 

 

*18족 원소들만 최외각전자와 원자가전자가 다름(원자가 전자가 0개) = 화학결합에 참여하지 않음 

 

 

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금속원소의 특징

- 리튬,나트튬, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 구리, 알루미늄

- 실온 25도에서 고체상태로 존재 (녹는점이 높다, 예외적으로 수은Hg만 액체로 존재)

-이온이 될 때 대부분 전자를 잃고 양이온이 됨 

-특유의 광택이 있음

-열과 전기가 잘통한다 (열전도성, 전기전도성)

-힘을 가하면 늘어나거나 얇게 펴짐 

 

비금속원소의 특징

-수소,헬륨,탄소,질소,산소,염소

-실온 25도에서 기체(H,He,N,O), 고체(C,S) 상태로 존재 (녹는점과 끓는점이 낮다, 예외적으로 브로민 Br2 만 액체로 존재 )

-이온이 될 때 대부분 전자를 얻어 음이온이됨

-광택이 없음 

-열과 전기가 잘 통하지 않음(탄소제외)

-힘을 가하면 쉽게 부서짐 

 

준금속원소 특징

-붕소, 규소, 저마늄

-금속과 비금속의 중간정도의 성질 또는 두성질 모두 지님

ex) 규소와 저마늄은 조건에 따라 전기가 잘 통하게 됨 (반도체에 사용됨)

 

 

*주기율표에서 

1족 금속 : 알칼리 금속 (원자가 전자 1개) = 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 

17족 비금속 : 할로젠 (원자가 전자 7개) 

 

알칼리 금속 (1족금속) : 전자껍질 수 증가 반응성 증가 (전자가 쉽게 떨어져나감)

열, 전기전도성 + 광택 

매우 무르다 

물과 닿으면 격렬히 반응이 일어남 (ex 2Na+2H2O ->2NaOH수산화나트륨 염기성물질(알칼리)+H2

공기 중의 산소와도 반응함(산화) = 액체파라핀이나 석유에 넣어 보관

할로젠 원소와 격렬히 반응함 

: 알칼리 금속은 원소 상태는 반응성이 커서 주로 이온 상태 또는 다른 원소와 결합한 상태로 존재함 

 

반응성 : Li<Na<K<Rb<Cs<Fr 물, 산소, 할로젠과 더 격렬히 반응함 - 원자가 전자가 다 1개임! 

원자가 전자(최외각 전자) 1개가 떨어져 나가면서 반응이 일어나는데, 전자껍질의 수가 증가할수록 전자가 떨어져나가기 쉽다! (반응이 잘일어난다) 

 

금속원소는 전자를 잃고 양이온이되려는 성질 

 

 

할로젠 (17족 비금속): 전자껍질 수 반응성 감소 (전자를 가져오기 어려움)

플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘(요오드), 아스탄틴, 테네신 

반응성 F>Cl>Br>I> : 전자껍질이 많아질수록 반응성 줄어든다 

최외각전자(원자가전자)에 1개가 채워지면서 반응이 일어나는데, 전자껍질의 수가 증가할수록 전자를 끌어당기기 어렵다! 

이원자분자상태로 존재함 (F2,Cl2,Br2,I2) : 독특한 색깔을 가지고 있음

녹는점, 끓는점 비교 F2<Cl2<Br2<I2

수소와 결합한 HF, HCI(염산), HBr, HI는 물에 녹아 강한 산성을 나타냄 

금속원소와 반응하여 이온화합물 염을 만듦  2Na + Cl2 -> 2NaCl

비금속 원소의 특징(열,전기전도성이 없음) 

 

* 할로젠은 원소상태는 반응성이 커서 주로 이온상태 또는 다른 원소와 결합한 상태로 존재함 

 

비금속원소는 전자를 얻어서 음이온이 되려는 성질 

 

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원소들의 화학결합 

 

금속결합 

이온 결합  : 금속원소가 비금속원소에게 전자를 주면서 결합이 만들어지는 것을

-물에 잘녹음=물에 녹아 이온화되기 때문

-고체상태에서는 전기 전도성x,수용액상태에서o

-녹는점과 끓는점이 비교적 높음 : 실온에서 주로 고체로 존재

-힘을 가하면 쉽게 부서짐 : 같은 전하 사이의 반발력 

*이온화합물 : 전자를 잃은 양이온, 전자를 얻은 음이온이 되면서 정전기 적인 결합하는 것을 (염화나트륨, 탄산칼슘 등 양이온 음이온 결합한 ...) 

-금속원소 : 전자를 잃고 양이온이 됨 + 전하 

-비금속원소 : 전자를 얻어 음이온이 됨 -전하

 

공유 결합  : 비금속 원소 비금속원소사이에 두 원소가 전자를 결합하면서 만들어지는 것을 

-대부분 물에 잘 안녹음 (극성물질은 잘 녹음 : HCI, NH3, H2O)

-고체, 액체, 수용액 상태 모두 전기전동성 (염화수소HCl, 암모니아NH3, 등은 제외 : 산성과 염기성)

-녹는점, 끓는점이 비교적 낮음( 분자간 인력이 약하다) : 실온에서 주로 액체나 기체로 존재 

*분자  중성상태에 원자들이 전자를 공유하면서 강한 결합이 만들어지는데 이것을 (물분자,산소분자, 암모니아분자...)

ex)플루오린 -> 비금속원소와 비금속원소사이의 결합 => 공유전자쌍 

"루이스 전자점식" 

 

*옥텟규칙(듀엣규칙)을 만족하기 위해 필요한 전자의 수 = 다른원자와 만들 수 있는 결합의 수 

수소 = 1개 

탄소  = 4개 

질소 = 3개 

산소 = 2개

플루오린 = 1개  

*공유 전자쌍 1쌍으로는 옥텟규칙을 만족하지 않음 => 2중결합, 3중결합 

 

 

가장 바깥껍질에 전자가 모두 채워진 상태를 만들려고 한다 18족(결합을 이루지 않음 -비활성기체) 

원자가 전자가 적은 경우 떼어 버린 것이 유리 

원자가 전자가 많은 경우 받아 오는 것이 유리 

 

옥텟(octet)규칙 : 원자가 전자가 8개인 안정한 상태를 만들려고 함 

듀엣(duet)규칙  : 원자가 전자가 2개인 안정한  상태를 만들려고함 (2주기 금속원소들 해당 : 리튬 )

 

1족 전자 1개 잃음

2족 전자 2개 잃음

="정전기적 인력" 서로 다른 전하 사이에 당기는 힘

17족 전자 1개 얻음

16족 전자 2개 얻음 

= 양이온과 음이온이 만나서 만들어지는 이온화합물의 전하가 0이 되도록 만들어야함 

-참고 13족 전자 3개잃고 3+양이온이 되기도 하고, 

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탄소화합물   탄소원자 + H수소, N질소, O산소

 

보어의 전자배치를 보고 원자가 전자 수를 확인하고, 루이스 전자점식을 보는데

탄소는 공유결합 가능한 전자수 4개(다양한 원자들과 결합가능), 수소 공유결합 가능한 전자수 1개,

이때

질소 N(공유결합 가능한 전자수 3개만) 

산소 O(공유결합 가능한 전자수 2개만)

는 비공유 전자쌍이 있다.

 비공유전자쌍  : 전자가 쌍을 이루고 있어서 결합에 사용되지않는 것을 의미 

 

<  탄화 수소 화합물  >

 

1. 알케인 (alkane)

 이름 붙이는 법 

탄소의 수에 따라 접두사를 붙인 뒤 ane ~ㅔ인

1 metha

2 etha 

3 propa

4 buta

5 penta

6 hexa

7 hepta 

8 octa 

9 nona

10 deca 

 

2. 분자식 CH4, C2H6, C3H8 

 

알케인 분자식 : Cn + H2n+2  = 수소원자수 =(탄소원자수 x2)+2 

 

3. 구조 

선-결합 구조식(90도) , 공막대기 구조식(결합각 109.5도 , 정사면체구조 ) , 쐐기구조식 (점선-뒤, 쐐기-앞 / 입체감 표현 )

*간략(축약)구조식 

*연결된 방식에 따라 전혀 다른 구조를 가지게 되는데 이것을 구조이성질체라고 함 

구조이성질체 : 분자식은 같지만 구조가 다른 화합물 ( 일렬은 namal, 다른구조는 iso )

  ㄴ 탄소수4개이상이되면 두가지 이상의 구조 이성질체가 존재함 (뷰테인은2개, 펜테인은3개, 헥세인은 5개, 햅테인은 9개)

 

 

4. 녹는점과 끓는점 

 

분자사이의 거리가 멀어지면서 상태변화가 일어남 

분자사이에 작용하는 힘이 큰 물질일수록 상태변화하는데 더 많은 열이 필요함 => 분산력이 크고, 끓는점  높다 

분자의 표먼적이 클수록 다른 분자와 접촉면적이 커짐=>분산력이 크고, 끓는점도 높다 

탄소 수가 많을수록 분자 사이의 힘 (분산력)이 큼 -> 끓는점 높음 

알케인은 비극성 분자이므로 분자사이에 분산력이 존재한다.

 

 

<결합의 종류> 원자사이의 결합 

이온 결합 -> 이온화합물 (NaCl,CaCO3)

공유 결합 -> 분자(Cl2,CO2,H2O) 

분자사이의 힘  +전하와 -전하 사이의 정전기적인 인력 

- 분산력 : 비극성 분자 사이에 작용하는 힘 

순간적으로 전자가 쏠림-> 이웃한 분자의 쌍극자를 유발함 -> 순간쌍극자와 유발쌍극자 사이의 당기는 힘을 분산력이라고 함 

분산력은 쌍극자나 수소결합비교하면 매우 작은힘

- 쌍극자-쌍극자 힘 : 극성분자사이에 작용하는 힘 ex)  염화수소 

*쌍극자 (dipole) : 극성 분자 내에서 전기음성도 차이로 인해 부분적으로 분자가 극성을 갖게된 것  (표기 델타 +,-)

- 수소 결합 : 극성분자 중 F,O,N(전기음성도가 매우큼) 과 H가 결합한 분자 사이에 작용하는 힘 / 분자들 강하게 끌여당김 ,일반적으로  수소결합을 할 수 있는 분자들은 끓는점과 녹는점이 높다는 특징이 있음)

 

비극성분자? 극성분자?

전기음성도 : 원자가 결합할 때 전자를 끌어당기는 정도를 나타낸 것 

염소분자 Cl+Cl : 전기음성도차이 0, 결합의 종류 비극성 (무극성) 공유결합 (0~0.5) : 

염화수소분자 H+Cl : 전기음성도차이 0.96, 결합의 종류 극성 공유결합 (0.5~1.7)

염화나트륨 Na+Cl : 전기음성도차이 2.23, 결합의 종류  이온결합 (1.7~)

*비극성 분자는

(비극성 공유결합) 같은 원자끼리 결합한 분자

(극성 공유결합) 대칭구조를 갖는 분자 

 

원자 사이의 결합은 극성 공유결합이지만, 분자가 대칭 구조인 경우 결합의 극성이 상쇄되어 분자 자체는 극성을 띠지 않게 된다. 

 

 

5. 용해도

알케인은 비극성 분자로 극성 용매에는 거의 녹지 않고, 비극성 용매에는 잘 녹는다 = 잘 섞인다. 

성질이 비슷한 것 끼리 서로 잘 녹인다 (like dissolves like 현상)

*극성물질 : 이온화합물, 극성분자 ex) NaCl,H2O,HCl,NH3,... 물

*비극성물질: 비극성 분자 ex) O2,N2,CO2,CH4,CCl4.... 사염화탄소 

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알켄 alkene  알카인 alkane 

알케인(단일결합) -> 알켄(이중결합) -> 알카인(삼중결합)

 

이중결합 알켄 ~엔 ~ene =  ethene(에텐=에틸렌) , propene 

*알켄의 분자식 : CnH2n / 반발로 결합각 120도 

 

삼중결합 알카인 ~아인 ~yne =  ethyne(에타인=아세틸렌), propyne(프로파인)

*알카인의 분자식 : CnH2n-2 / 반발로 결합각 180도 

 

탄화수소 화합물에서 수소대신 다른 원자가 결합하여 다양한 화합물을 만든다. 

ex) 에테인에서 -OH들어가면 에탄올, COOH 들어가면 아세트산 

 

탄소화합물은 다양한 곳에서 존재 (포도당, 비누, ...)