화학 시작 [원자의 구조]

1.  원자의 구조

 

원자의 구조는 빽빽한 전기적으로 (+) 양전하의 성질을 띄는 입자와 전기적으로 중성을 이루는 중성자가 원자의 핵을 이루고 있다.  그 주변으로는 상대적으로 아주 큰 거리를 둘러 싸고 전기적으로 (-) 음전하의 성질을 띄고 있는 전자가 원자핵 주변에 존재하고 있다.

 

전자와 중성자, 양성자의 물리적 크기는 서로 엄청난 차이를 가진다. 원자의 일반적인 크기는  약 200pm (picometers)  이며 1pm  = 10^-12m  정도의 크기다. 

 

원자들은 각각의 원자번호로 표현된다. 원자핵안의 양성자 숫자로 표기된다. 같은 양성자의 수를 가지더라도 원자질량은 원자핵이 얼마나 많은 중성자를 포함하고 있는지에 따라 더 무거워 진다. 같은 원자번호를 가지더라도 질량이 다를 수 있다는 뜻이다. 이것을 동위원소 (isotope) 라고 부른다

 

2 오비탈

 

전자는 어떻게 원자안에 분포 되어 존재할까? 원자의 양자역학 모델이 따르면 우리는 수학적으로 파동방정식이라고 표현한다.파동방적식의 풀이는 파동함수라고 부르거나, 오비탈이라 표현하고 크리스 문자로 psi 라고 발음한다.

파동 함수를 제곱하였을때 삼차원의 공간이  산출되고 이공간이 전자가 발견될 수 있는 궤도 라고 볼 수 있다.

 

오비탈은 어떤 모양을 가지고 있을까? 오비탈은 네종류의 오비탈 모양으로 분류 할 수 있다. 표현은 s, p, d, f 오비탈로 표기 한다.우리는  s 오비탈과 p 오비탈에 집중할 것입니다. 그 이유는 s와 p 오비탈은 유기화학에서 가장 중요하다고 볼 수 있기 때문이다. 오비탈은 여러개의 껍질로 이루어져 있다. 다른 껍질은 다른 오비탈 숫자를 가지고 있다.

 

세개의 다른 p 오비탈은 서로 수직의 방향으로 공간상으로 배치되어 있다. 그리고 각각을  Px, Py, Pz 라고 표기한다.

이 오비탈은 화학 반응과 화학 결합에 있어서 중요한 역할을 하고 있다.

 

3 전자 배치

 

낮은 에너지 상태의 배열이나 바닥 상태의 전자 배치는 최소한의 오비탈을 점유하고 있다. 다음 세가지 규칙에 의해서 전자배열을 예측해 볼 수 있다.

 

규칙1. 낮은 에너지 상태의 오비탈에 전자가 먼저 채워진다. 예를 들면  1s -> 2s -> 2p -> 3p -> 4s -> -3d 와 같은 순서

(4s의 에너지는 3p와 3d 의 사이에 위치해 있다)

 

규칙2. 전자는 두가지 방향으로 스핀한다 업 스핀 과 다운 스핀이다. 오직 두 전자만이 전자 배치 될 수 있고. 반드시 업스핀과 다운스핀의 방향이어야 한다.

 

규칙3. 두개나 그 이상의 오비탈은 하나의 전자가 채워지면 나머지 빈 공간부터 전자가 채워져 나가고 마지막에 두 전자가 함께 있도록 채워 진다. (hund's rule)

 

4.화학 결합 이론

 

탄소의 다중 결합 가능성이 발견 되었을때 화학 결합의 이론은 대폭 발전하였습니다. 사면체 탄소 원자의 표현은 피라미드 형태의 모양으로 생각 할 수 있습니다. 탄소의 4개의 비공유 전자들은 다른 전자들의 비공유 전자들과 결합해 서로 전자를 하나씩 나누어 가지며 전자 두개가 하나의 결합을 이룰 수 있게 합니다. 탄소는 자신 주변에 최대 각 4개의 단일 공유 결합을 할 수 있습니다.

 

5.화학 결합의 성질

 

원자는 왜 서로 결합하며 어떻게 전자적으로 결합을 설명할 수 있을까? 이 질문은 상대적으로 대답하기 쉽습니다. 화학 결합이 일어날 때 결합 되지 않은 원자의 에너지가 결합된 에너지 보다 에너지가 높기에 안정적이고 싶어하는 (에너지가 낮은상태) 경향이 있는 원자들은 결합하려는 성질을 가집니다.

 

 

다음  게시물에  계속 이어서 나가겠습니다.