제 1 장 화학 : 물질과 측정
1.3 원소와 주기율표
▶ 프랑스의 과학자 라부아지에(Antoine Lavoisier)에 의하여 화학적으로 단순한 물질들의 표가
1789 년에 발간된 논문집에 수록.
▶ 1869년 러시아의 화학자 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)가 현대적 주기율표의 전신을 발표.
1.4 원소의 특성
▶ 주기율표에서 원소들의 종종 매우 비슷한 특성들을 보여주고 있다.
1A족 : 알칼리 금속
2A족 : 알칼리 토금속
7A족 : 할로겐
8A족 : 비활성기체
1.5 실험과 측정
▶ 1960년에 결정된 국제 협약에 의하여, 전세계의 과학자들은 국제단위계(International System
of Units, 약어 : SI단위계)를 사용하게 되어 있다.
▶ 국제단위계(SI)에 대한 정확한 정의는 홈페이지 자료실에 있음.
제 2 장 원자, 분자, 이온
2.1 질량의 보존과 일정 성분비의 법칙
▶ 영국 태생의 로버트 보일(Robert Boyle, 1627∼1691)은 독립된 학문의 한 분야로서 화학을
연구하고, 아주 정밀한 화학 실험을 수행했던 첫 번째 과학자라고 할 수 있다. 그는 기체의
본질과 행동에 관한 일련의 실험을 통하여 물질의 원자적 특성에 대한 명확한 증거를 제시
하였다. 또한, 그는 원소를 화학적으로 더 쪼개질 수 없는 물질이라고 정의하였다.
▶ 영국의 화학자인 죠셉 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733∼1804)는 산화수은(HgO)을 가열
하여 산소를 발견하였다. 1771-79년에 산소, 암모니아, 염화수소, 산화질소, 이산화황등을 발견
하였음.
▶화학사에서 가장 중요한 인물 라부아지에의 설명 (이화학사전의 내용을 그대로 옮김)
▶ 프랑스의 화학자인 안토인 라부아지에(Antoine Lavoisier, 1743∼1794)
1772년에 황 및 인의 연소를 연구했는데, 그것들이 탈 때 무게가 커짐을 확인하고는,
연소문제를 계속 연구하여, 1774년에는 금속의 재가 금속과 공기의 결합에 의하여 생김을 실증
하였음. 같은 해 프리스틀리의 연소한 수은재에 관한 실험 보고(1774년 프리스틀리가 파리를
방문)에서 암시를 얻어 다시 실험함으로써, 금속과 결합하는 기체의 본성을 추구하고, 1777년
에는 공기가 2가지 기체로 구성됨을 알게 되었음. 곧 산소의 설질을 명백히 하여, 연소의 본질
을 밝혔음. 이어서 동물의 호흡 실험에서, 호흡과 연소는 본질적으로 같은 현상임을 확인하였
음. 더욱 나아가 산의 산소설을 제출하고, 산소의 홑소물질성을 인정하여 이것을 원소로 간주
하였음. 이러한 연구에 의하여 플로지스톤설은 그 밑뿌리가 흔들리게 되었음. 더욱, 합성과
분해의 양면에서 물의 조성을 밝히고(1783), 유기화합물의 원소분석법의 원형을 수립하였음
(1784), 또 당의 알코올발효를 연구하고, 생성물의 분석 결과에 따라서 처음으로 질량불변의
법칙을 명확히 수립하였음. Laplace와 공동으로, 비열ㆍ숨은열 및 반응열을 측정하고, 생체
에너지의 근원이 호흡의 연소열임을 명백히 하였음. 또 처음으로 화학물질의 명명법의 과학적
체계를 수립하고, 원소의 경험적 정의에 따라서, 홑소물질의 개념을 명백히 하여, 33가지 홑소
물질을 정하였음. 이러한 연구에 의하여, 화학의 합리적인 새로운 체계가 확립되었고, 화학사에
새 단계가 이루어지기에 이르렀음.
▶ 라부아지에 (교재의 내용)
산소가 연소에 주된 물질인 것을 보여 주었다. 밀폐된 용기 내에서 연소가 될 때 연소 생성물
의 질량과 연소 반응물의 질량이 정확히 같다는 것을 증명하였다. 예를 들면 수소 기체가 타서
산소와 결합하여 물이 생성될 때 생성된 물의 질량은 소모된 수소와 산소의 질량과 같다는 것
이다. 이것은 질량보존의 법칙(law of mass conservation)이라 부르며, 이 원리는 화학에 있어
서의 초석이 되는 중요한 것이다.
| 질량보존의 법칙 : 화학반응시 질량은 생성되지도 소멸되지도 않는다. |
▶ 프랑스의 화학자 조셉 프루스트(Joseph Proust, 1754∼1826)는 오늘날 일정 성분비의 법칙
(law of definite proportions)이라 부르는 제2의 화학의 기본원리를 공식화하였다. 예를 들면
어떠한 물(H2O)도 무게로 수소 1 : 산소 8의 비율로 구성되어 있으며, 어떠한 이산화탄소(CO2)
도 무게로 탄소 1: 산소 2.7의 비율로 구성되어 있다. 즉, 원소는 마구잡이 비율로 화학결합을
하지는 않는다.
| 일정 성분비의 법칙 : 하나의 순수한 화학물질로 이루어진 시료는 어느 것이나 항상 같은 무게 비율의 원소를 포함한다. |
▶ 영국의 교사인 죤 돌턴(John Dalton, 1766∼1844)
그러면 어떻게 질량보존의 법칙과 일정 성분비의 법칙이 설명될 수 있을까? 왜 원소들은 그와
같은 행동을 보일까? 그것에 대한 해답은 1808년 물질에 대한 새로운 이론을 발표했던 돌턴에
의해서 얻을 수 있었다. 돌턴은 다음과 같이 추론하였다.
1. 원소는 원자라고 부르는 작은 입자로 구성되어 있다.
2. 각 원소는 그것을 구성하는 원자의 질량에 의해 특징 지워질 수 있다.
3. 상이한 물질을 구성하는 원소의 화학결합은 원자가 서로 작은 정수비로 결합하여 이루어진다.
4. 화학반응은 원자결합의 재배열일 뿐, 원자 그 자체는 변하지 않는다.
이 원자설은 배수비례의 법칙(law of multiple proportions)이라고 불리게 되었다. 예를 들면,
질소와 산소가 7:16의 질량비로 결합하여 오늘날 알려진 NO2가 되며, 7:8의 질량비로 결합하여
NO가 된다. 즉 첫 번째 물질은 두 번째 물질의 정확히 2배의 산소를 포함한다.
| 배수비례의 법칙 : 만약 두 원소가 상이한 방법으로 결합하여 상이한 물질을 만들면 두 원소의 질량비들 사이에는 간단한 정수비가 성립한다. |
2.3 원자구조 : 전자
▶ 돌턴의 원자설은 여러 가지 면에서 유용하나 원자가 어떻게 구성되어 있는지에 대한 의문은
남아 있었다. 그 후 거의 1세기가 지나서야 영국의 물리학자 톰슨(J.J. Thomson, 1856∼1940)
이 행한 실험으로부터 그 실마리를 찾을 수 있게 되었다.
▶ 톰슨은 이미 알고있는 강도의 전자기장에 의해 굽어지는 양을 측정하여 전자의 질량에 대한
전하의 비(charge - to - mass ratio , e/m)를 계산할 수 있다.
▶ 미국인 밀리칸(Millikan, 1868～1953)은 전자의 질량을 계산하였다. (기름방울 실험)
▶ 영국의 물리학자인 러더포드(Ernest Rutherford, 1871～1937)의 실험
톰슨의 음극선 실험의 결과를 생각하면, 물질은 전체적으로 전기적으로 중성이기 때문에,
전극내의 원자가 음전하의 입자(전자)를 방출하게되면, 그 원자 또한 양전하의 입자를 가져야
한다는 것을 의미한다. 그러한 양전하 입자와 원자 구조의 전체적인 모양을 알기 위하여
러더 포드는 1911년에 획기적인 실험을 하였다. 러더포드는 이 실험의 결과로부터 금속원자는
거의 빈 공간이고 핵(nucleus)이라고 부르는 작은 중심에 질량이 집중되어 있다고 제안하였다.
2.5 원자 구조 : 양성자와 중성자
▶ 1910∼1930까지 러더포드 등에 의해 진행된 실험은 핵은 양성자와 중성자라 불리우는
두 종류의 입자들로 구성되어 있다는 사실을 밝혀냈다.
▶ 양성자(Protons)는
의 질량(전자 1개 질량의 약 1836배)을 가지며
양전하(+)를 띤다. 양성자가 띠는 전하는 전자와 반대이나 크기는 같기 때문에 중성 원자인
경우 양성자와 전자수는 동일하다.
▶ 중성자(Neutrons)는
의 질량을 가져, 양성자와 질량이 거의 같지만 전하를
띠지는 않는다. 그러므로, 핵의 중성자수는 양성자수와 전자수에 직접 관련되지는 않는다. 톰슨의 음극선 실험의 결과를 생각하면, 물질은 전체적으로 전기적으로 중성이기 때문에,
전극내의 원자가 음전하의 입자(전자)를 방출하게되면, 그 원자 또한 양전하의 입자를 가져야
한다는 것을 의미한다. 그러한 양전하 입자와 원자 구조의 전체적인 모양을 알기 위하여
러더 포드는 1911년에 획기적인 실험을 하였다. 러더포드는 이 실험의 결과로부터 금속원자는
거의 빈 공간이고 핵(nucleus)이라고 부르는 작은 중심에 질량이 집중되어 있다고 제안하였다.
2.5 원자 구조 : 양성자와 중성자
▶ 1910∼1930까지 러더포드 등에 의해 진행된 실험은 핵은 양성자와 중성자라 불리우는
두 종류의 입자들로 구성되어 있다는 사실을 밝혀냈다.
▶ 양성자(Protons)는
의 질량(전자 1개 질량의 약 1836배)을 가지며
양전하(+)를 띤다. 양성자가 띠는 전하는 전자와 반대이나 크기는 같기 때문에 중성 원자인
경우 양성자와 전자수는 동일하다.
▶ 중성자(Neutrons)는
의 질량을 가져, 양성자와 질량이 거의 같지만 전하를
띠지는 않는다. 그러므로, 핵의 중성자수는 양성자수와 전자수에 직접 관련되지는 않는다.
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