3-1. 원자들의 만남에는 어떤 원리가 있을까?

인터넷이 안될 때

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• 전자 간 반발력을 최소로 하기 위한 배열로 분자 구조가 이루어짐을 설명할 수 있다.

• 분자 구조에 따른 물질의 특성과 기능의 차이점을 설명할 수 있다.

다음의 그림 자료를 보고 비활성 기체들의 공통적인 특성을 탐구해 보자

헬륨 : 기구 네온 : 네온사인 아르곤 : LED

그림 I-28 비활성 기체의 이용

비활성 기체는 최외각 껍질에 전자가 모두 채워져 안정된 전자 배치를 이루고 있다.
다른 원소와 결합하지 않아 반응성이 거의 없는 일원자 분자로 존재한다.
반응성이 작으므로 형광등이나 백열등의 충전 기체로 사용되어 특유의 빛을 낸다.

루이스 기호(Lewis symbol)

원자나 이온의 원자가 전자(valance electron)를 원소 기호의 둘레에 점으로 표시하여 나타낸 것

원자가 전자(valance electron)

원자내의 전자 가운데 맨 바깥 전자 껍질의 전자
원소의 화학적 성질을 결정함
전형원소의 원자가 전자수는 로마자로 표시된 족의 수와 같다.

그림 I-29 전형 원소의 전자 배치

옥텟 규칙(octet rule)

원소들이 18족 원소와 같은 전자배열을 가지려는 것

18족 원소의 원자가 전자수 → 헬륨 2개, 나머지 8개
1, 2족 원소 → 양이온이 되기 쉬움
16, 17족 원소→ 음이온이 되기 쉬움

비활성 기체

주기율표의 18족 원소
최외각 전자 껍질에 전자가 모두 차 있어 전자를 잃거나 받기 힘들어 반응성이 매우 작으므로 화학 결합을 쉽게 하지 않음
헬륨은 풍선이나 기구를 부풀리는 데, 아르곤과 네온은 형광등이나 백열등의 충전 기체 로 사용되어 특유의 빛

1. 다음 원자들이 옥텟 규칙에 따라 생성될 수 있는 이온을 기호로 나타내시오.

1) 마그네슘(Mg)

2) 산소(O)

3) 칼륨(K)

4) 황(S)

혼자 있는 것 보다 둘이 있으면 더 편안하고 안정적입니다. 남자와 여자가 결혼을 하듯 양이온과 음이온이 서로 끌리는 힘에 의해 이온 결합을 합니다.

다음은 염화나트륨을 형성하는 모형을 나타낸 그림이다. 나트륨(Na)과 염소(Cl₂)가 결합할 때, 이들 사이에 일어나는 변화를 탐구해 보자.

그림 I-30 NaCl의 형성 과정

염소 분자는 전자를 받아(환원) 2개의 Cl^-이온으로 된다.
Na⁺이온과 Cl^-이온이 정전기적으로 결합하여 고체 NaCl이 형성된다.
2Na + Cl₂ → 2NaCl

양이온과 음이온의 정전기적 인력에 의한 결합
금속원자에서 비금속원자로 전자가 이동
양이온과 음이온이 규칙적으로 배열하여 결정을 이룸

염화나트륨의 생성

이온의 크기

같은 주기 → 원자 번호가 증가할수록 작아짐
같은 족 → 주기수가 증가하면 커짐
양이온이 되면 작아짐 (전자껍질이 감소, 양이온의 인력 증가)
음이온이 되면 커짐 (바깥 껍질의 전자들 사이의 반발력 증대)

그림 I-31 이온의 크기

이온 결합성 물질의 성질

양이온과 음이온이 모여 결정을 이룸 → 전기적으로 중성
끓는점과 녹는점이 높음
단단하고 부스러지기 쉬우며 휘발성 없음
고체상태에서 부도체, 용융·수용액상태에서 도체

그림 I-32 염화나트륨의 모형

그림 I-33 이온 결합을 이루는 원자

그림 I-34 이온 결합 형성 모형

이온 결합물의 화학식 표시법

X^a + Y^b → X_bY_a

2. 다음 이온들이 결합하여 생성되는 이온 결합 물질을 화학식으로 써 보자.

1) Na⁺과 F^-

2) K⁺과 NO₃ ^-

3) Mg₂⁺과 Cl^-

4) Al₃⁺과 O₂^-

3. 칼륨(K)과 나트륨(Na) 사이에 이온 결합이 형성되지 않는 이유는 무엇일까?

전자를 얻거나 잃는 정도가 비슷한 원자들은 각 원자가 가진 전자쌍을 공유하는 공유결합을 합니다

다음은 비금속을 나타내는 수소(H) 입자들의 만남을 모형으로 나타낸 그림 이다. 이들 사이에 일어나는 변화를 탐구해 보자.

그림 I-35 H₂의 공유 결합 모형

수소(H)는 전자를 필요로 하는 비금속 원자이다.
수소(H) 원자들은 전자 1개씩을 내어 1쌍의 전자쌍을 공유하면서 결합을 이룬다.
전자쌍을 공유하므로 수소(H) 원자로 있을 때보다 더 안정한 화합물인 H₂가 된다.

그림 I-36 공유 결합 형성 과정

비금속 원자들이 원자가 전자를 공유하여 18족과 같은 안정한 전자 배치를 하며 형성되는 결합

예: 암모니아(NH₃) - H는 전자를 공유함으로써 18 족인 He의 전자 배치를 갖고, N는 18족인 전자 배치를 갖는다.

그림 I-37 공유 결합으로 이루어진 물분자의 형성 과정과 표현 방법

그림 I-38 공유 결합으로 이루어진 O2, N2의 모형과 표현 방법

루이스 전자식과 다중 공유 결합

4. 다음 분자들을 루이스 전자점식, 구조식, 분자식으로 나타내시오.

1) H₂O

2) CO₂

3) NH₃

4) BF₃

5) H₂S

다중 공유 결합

한 분자 내에서 2개, 3개의 전자쌍을 공유한 것
이중결합 : 두 개의 전자쌍을 공유한 것

예 : 산소분자(O2), 에틸렌분자(C₂H₄)

삼중결합 : 세 개의 전자쌍을 공유한 것

질소분자(N2), 아세틸렌분자(C2H2) :

전기 음성도(electronegativity)

분자내의 한 원자가 결합 전자쌍을 잡아당기는 상대적인 힘의 세기
플루오르 4.0, 수소 2.1, 세슘(Cs) 0.7
주기율표에서 오른쪽 위로 갈수록 증가, 왼쪽 아래로 갈수록 감소
비금속성이 클수록 커지고, 금속성이 클수록 작아짐

그림 I-38 전기 음성도

극성 공유 결합(polar covalent bond)

결합전자쌍이 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 치우치는 공유결합 → 전기음성도가 큰 원자가 결합 전자쌍을 더 많이 공유함
분자의 한쪽은 약간의 양전하(δ+ )를, 다른 쪽은 약간의 음전하(δ-)를 띔

극성 분자(polar molecule)

분자 전체가 전기적으로 (+)극과 (-)극을 가진 분자

그림 I-39 극성 분자

비극성 분자 (nonpolar covalent bond)

분자 구조가 대칭을 이루어 극성을 띠지 않는 공유 결합

예 : CO₂

그림 I-40 비극성 분자

이온 결합성과 공유 결합성의 비율

분자를 구성하는 두 원자 사이의 전기 음성도 차이가 클수록 이온결합에 가까움
완전한 공유결합은 일성분 이원자 분자에서만 가능함

(예) 수소(H₂), 염소(Cl₂)

전기음성도 차에 따른 이온 결합성의 비율

전기 음성도 차	0.0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2
이온 결합성(%)	0	1	3	7	12	18	25
전기음성도 차	1.4	1.6	1.8	2.0	2.2	2.4	2.6
이온 결합성(%)	32	40	47	54	61	68	74

자유 전자

금속과 금속 입자들이 만나서 결합을 할 때는 서로가 전자를 내어서 금속은 금속 양이온으로, 떨어져 나온 전자는 자유 전자

금속 결합

자유롭게 움직이는 자유전자에 의해 금속 결정 속의 원자들을 서로 결합시키는 결합
자유전자가 된다. 금속 양이온과 자유전자가 정전 기적 인력의 결합으로 결합하는 것

특징

열과 전기를 잘 통하고 밀도가 높고 단단함
녹는점, 끓는점이 높고 휘발성이 작음

그림 I-41 금속 결합 형성 과정과 금속 결합 모형(전자 바다 모형)

그림 I-42 수소 결합

수소 결합(hydrogen bond)

수소(H)를 사이에 두고 분자 간에 강한 정전기적 인력으로 결합
녹말, 단백질 등은 분자 내에서 수소 결합을 하는 분자들

특징

분자간의 인력이 강하므로 녹는점과 끓는점이 높고, 증발열이 크다.

인터넷이 안될 때

마지막 인사