주기율표, 원자구조, 그리고 화합물에 대한 이야기 (Periodic Table, Atomic Structure, and Compounds)

주기율표, 원자구조, 그리고 화합물에 대한 이야기 

(Periodic Table, Atomic Structure, and Compounds)

 

The Periodic table (주기율표)

원자마다 양성자와 전자의 수가 다르기 때문에 물질의 물리적 특성의 모든 차이를 설명하지. 다양한 유형의 원자를 원소라고하며 약 118 개의 알려진 원소가 있어. 각 원소는 고유 한 원자로 구성돼. 

1869년 주기율표를 발명한 러시아의 과학자 Dmitri Ivanovich Mendeleev 

Element (원소) : 원자의 한 형태

Periodic table (주기율표) : 주기율에 따라 원소를 배열한 표

정

정리를 하다보니 원소와 원자가 좀 헷갈려서 찾아보니, 정확하게 설명하는 유투브 자료가 있어서 첨부했다. 

원소는 물질을 이루는 성분으로, 원자의 종류를 말하고, 원자는 물질을 이루는 가장 작은 입자를 말한다. 

모든 원소들은 주기율표라고 불리는 표에 표시되. 이 주기욜표는 모든 원소들을 상자들 안에 정리하고 리스트한 거야. 각각의 원소는 화학기호를 가지고 있어. 이건 하나 혹은 두개의 알파벳으로 이루어져 있지. 젓번째 알파벳은 대문자로, 두번째 알파벳은 소문자로 적어. 예를 들어, 산소 (Oxygen)는 O 로 표시하고, 아연 (Zinc)은 Zn 으로 표시할 수 있어. 

Chemical Symbol (화학기호) : 하나 혹은 두개의 알파벳으로 이루어져 원소를 대표하는 심볼

원소의 주기율표

 

각각의 정사각형은 그 원소에 대한 정보를 가져. 맨 위의 숫자는 Atomic number (원자번호) 이고, 바닥의 숫자는 Atomic mass (원자의 질량) 이야.

주기율표

주기율표는 row(행)와 column(열)으로 이루어져. 각각의 horizontal row (행)을 Period (주기)라고 하고 vertical column (열)을 Group or Family (그룹)이라고 불러. 원소들은 그들의 원자 번호 순서로 정렬되어 있어. - 따라서 오른쪽으로 건너가면서 전자, 양성자가 하나씩 더해져. 수소는 1개, 헬륨에는 2개 이런식으로. 동일한 그룹(열)의 원소는 유사한 화학적 및 물리적 특성을 공유해. 

원자의 숫자 : 원자가 포함한 양성자의 숫자를 의미해. 각각의 원소는 다른 양성자의 갯수를 가져서 원소는 원자의 숫자에 의해 차별화되어져.  

Atomic Mass (원자 질량) : 원소의 특정한 원자의 평균 질량

Period (주기) : 주기율표에 있는 원소의 행

Group or Family (그룹 또는 패밀리) : 주기율표의 열그룹의 원소들의 집단, 같은 열에 위치하는 원소들의 그룹들은 물리적으로 화학적으로 비슷한 특징을 가진다.

Atomic Structure and Energy Levels (원자구조와 에너지 레벨)

원자의 핵은 중성자와 양성자를 가지고 양극(+)의 성질을 띠어. 그 핵 주변을 음성인 전자(-)가 돌면서 음극(-)을 만들지. 전자는 엄청나게 빠른 속도로 핵의 주변궤도를 돌아. 전자가 계속해서 움직이기 때문에 이것을 관찰하는게 아주 어려워 하지만, 과학자들은 전자가 특별한 궤도를 가질 것이라고 예측했고, 그 모습은 링과 같은 모습을 띠고 핵 주면을 있을거라 예측했어 왜냐면 전자는 핵의 주변을 돌고 있으니까. 

이러한 각각의 고리를 에너지 레벨(Energy level)이라고 불러. 가장 낮은 에너지 레벨은 핵의 가장 가까운 곳에 위치해있고, 가장 높은 에너지 레벨은 핵으로부터 가장 멀리 있는 레벨이야. 전자들이 핵에 끌리기 때문에 (+와 1 힘은 서로 끌린다) 핵에 가까이 있는 전자들은 없애기가 어려워. 핵 가장 가까이 있는 전자의 에너지 레벨은 2개의 전자를 가지고 있어. 그 외의 모든 에너지 레벨은 8개의 전자를 가질 수 있어. 예를 들어 산소의 첫번째 에너지 레벨은 2개의 전자를 가지고, 두번째 에너지 레벨은 6개의 전자를 가져. 

Oxygen (산소) 원자모델 

원자모델

Isotopes (동위원소) 

같은 원소의 원자들은 같은 양성자의 수를 갖는 반면, 중성자의 숫자는 다양해. 더 많은 중성자는 원자가 더 무겁다는 것 의미해. 같은 원소, 다른 중성자인 원자들을 우리는 동위원소(Isotopes)라고 불러. 원자의 질량은 하나의 원소에 대해 동원원소들의 평균값이야. 

Neutral Elements and Ions (중성 원소와 이온) 

Neutral Element (중성원소)에 있는 양성자의 숫자는 전자의 숫자와 같아. - 양극은 음극과 균형을 맞추어 원소를 중립적으로 만들어. 

모든 원자들은 처음엔 중성이야. 그래서 만약 원소의 원자 숫자를 안다면, 넌 원소의 양성자의 숫자와 전자의 숫자가 같다는 것을 알수 있지. 넌 또한 얼마나 많은 중성자가 원자안에 있는지 원자의 질량을 보고 유추해 낼 수 있어. 

예를 들어, Li(리튬)의 경우 원자 번호는 3번이야. 이 말은 양성자와 전자의 갯수가 세개있다는 거지. 질량은 6.941. 올림하면 7 정도의 어림수를 갖을 수 있어. 여기에서 7-3을 계산한 값이 바로 중성자의 갯수야. 따라서 리튬은 4개의 중성자를 갖고 있다고 할 수 있어.

원자 질량 - 원자 번호 = 중성자의 갯수

만약 우리가 7 정도의 평균 질량을 얻었다면, 아마도 중성자와 양성자를 합쳐 7이라는 무게를 갖게 된걸 거야. 여기에서, 우리는 양성자의 갯수를 원자번호를 통해 알고 있으므로, 중성자의 숫자가 4라는 것을 알수 있지. 

이런 모든 정보를 모아서 우린 리튬에 대한 원자 모델을 만들 수 있어. 

리튬의 원자모델 (3개의 양성자, 3개의 전자, 4개의 중성자)

원자에 전하가 있다면, 이 상태를 Ion(이온) 이라고 불러 그리고 이 상태는 양성자의 숫자보다 전자의 숫자가 많거나 적음을 의미해. 만약 전자가 음의 전하 상태에 있다면 이 말은 전자가 더 필요하다는 소리야. 만약 양의 전하 상태에 있다면, 양성자가 전자보다 더 많다는 것이라고 말할 수 있어. 

Molecules and Compounds (분자 및 화학물)

두개 혹은 더 많은 원자들이 합쳐졌을때, 그 형태를 Molecules (분자) 라고 불러 

Molecules 는 자주 다른 분자와 합쳐져서 Molecular Compounds (분자 화합물)을 만들어 

가장 단순한 분자 화합물은 두개의 원자를 가지는 거야 이 것을 Diatomic Molecule (이원자 분자 - DI 라고 불리고, Two 라는 의미) 라고 불러

Nitrogen (질소)와 Oxygen (산소)는 자주 이원자 분자로 발견돼 - N₂ 와 O₂로 말야

 

아래와 같이 간단한 모델을 사용해서 다른 분자들의 원자 구성을 나타내거나, 또는 컴퓨터로 3D 모델을 멋지게 만들 수 있어

화합물은 각각의 원소들이 가지고 있는 것과는 다른 특성들을 가져 - 물이 Hydrogen (수소)와 Oxygen (산소) 전자로 분리된다면 이건 더이상 물이 아닌것 처럼 보일거야.

 

원자모델

Why Atoms form compounds (원자가 화합물을 형성하는 이유)

원자들은 항상 안전한 상태를 원해. 많은 원자들은 다른 원자들과 결합함으로써 안전한 상태를 찾아. 이말은 다른 원자들과 전자를 주고 받는 다는 의미야. 

전자들은 모든 방향으로 움직여 하지만 그들은 제한된 다른 전자껍질을 가지고 핵 주변을 돌아다니지. 다른 언자들로부터 전자가 쌍을 이루었을때, 그들은 Chemical Bond(화학적 연합)을 형성해. 이러한 화학적 연합은 원자들을 함께 잡아주는 힘이야.  전자들이 바깥쪽 궤도에 있는 전자들 - 원자가 껍질 - 이 연합을 형성해. 이 Valence Electrons (원자가 전자)는 원자가 어떻게 화학반응을 일어킬지 결정하고 상호작용하는 최초의 전자야. 

Oxygen 의 원자모델

How to Write a Chemical Formula (화학식를 쓰는 방법)

모든 화합물은 특별한 원소들의 비율이 필요해. 화학식은 화합물의 조리법 같은거야. - 이건 재료와 그들의 양을 설명하지. 화학식에서 각각의 원소는 화학 기호로 쓰여져, 하나 혹은 두개의 알파벳으로 만들어진 기호 말야. 그리고 화학 기호 옆 하단에 몇개의 원자가 붙을지 작은 숫자로 적힌단다. 

예) 설탕은 12개의 Carbon (탄소), 22개의 Hydrogen (수소), 그리고 11개의 Oxygen (산소) 원자들로 이루어져 있어. 그래서 화학식은 C₁₂H₂₂O₁₁ 이 된단다. 

설탕의 분자구조 모형