원자의 구조

원자의 구성 요소

모든 원자는 세 가지 유형의 입자로 구성됩니다:

양성자: 양전하를 띠며, 원자핵(중심)에 존재합니다

중성자: 전하가 없으며, 원자핵에 존재합니다

전자: 음전하를 띠며, 전자 구름 속에서 원자핵 주위를 공전합니다

원자핵은 원자 전체에 비해 매우 작습니다. 만약 원자가 축구 경기장 크기라면, 원자핵은 50야드 라인에 놓인 구슬 크기일 것입니다. 전자들은 상단 관중석에서 윙윙거리는 모기처럼 원자핵을 돌며 날아다닐 것입니다.

여기서 핵심 사실은: 양성자의 수는 원자가 어떤 원소인지를 결정한다는 것입니다. 이 수를 원자 번호라고 합니다.

모든 수소 원자는 정확히 1개의 양성자를 가지고 있습니다. 모든 탄소 원자는 정확히 6개의 양성자를 가지고 있습니다. 모든 금 원자는 정확히 79개의 양성자를 가지고 있습니다.

양성자의 수를 바꾸면 원소 자체가 완전히 달라집니다.

원소를 결정하는 것은 무엇인가?

금은 79개의 양성자를 가지고 있습니다. 철은 26개의 양성자를 가지고 있습니다. 둘은 생김새도 다르고, 느낌도 다르며, 성질도 다릅니다.

하지만 둘 다 양성자, 중성자, 전자로 이루어진 집합일 뿐입니다.

멘델레예프의 지도

과학에서 가장 강력한 치트 시트

1869년, 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 놀라운 일을 해냈습니다. 그는 알려진 원소들을 카드에 적고 원자량 순으로 배열했습니다.

그는 비슷한 성질을 가진 원소들이 일정한 간격으로 나타난다는 것을 발견했습니다: 주기적인 패턴이었습니다.

그는 원소들을 행(주기)과 열(족)로 이루어진 표로 배열했습니다.

멘델레예프의 천재적인 발상: 그는 빈칸을 남겨두었습니다. 그는 아직 발견되지 않은 원소들이 그 빈칸을 채울 것이라고 예측했고, 실제로 맞았습니다. 수년 후 갈륨과 게르마늄이 발견되었으며, 그의 예측과 거의 완벽하게 일치했습니다.

주기(행): 각 행은 새로운 전자 껍질이 채워지는 것을 나타냅니다.

족(열): 같은 열에 속한 원소들은 바깥쪽 전자 수가 같기 때문에 비슷한 성질을 보입니다.

이 표는 대략 금속(왼쪽과 가운데: 광택이 나고 전도성이 있으며 가단성이 있음), 비금속(오른쪽 위: 기체 또는 부서지기 쉬운 고체), 준금속(계단 모양의 선을 따라: 두 가지 성질을 모두 가짐)으로 나뉩니다.

그리고 가장 오른쪽 열에는 희귀기체(noble gases)가 있습니다: 헬륨, 네온, 아르곤. 이들은 바깥쪽 전자 껍질이 꽉 차 있어서 거의 다른 물질과 반응하지 않습니다. 주기율표의 외톨이들입니다.

표 속의 패턴

리튬, 나트륨, 칼륨은 주기율표의 1족에 속합니다. 이 세 원소는 모두 부드러운 금속으로 물과 격렬하게 반응합니다.

플루오린, 염소, 브롬은 주기율표의 17족에 속합니다. 이 세 원소는 모두 전자를 다른 원자에서 빼앗으려는 성질이 강한 반응성 비금속입니다.

원자들이 연결되는 방법

원자가 결합하는 이유

대부분의 원자는 혼자서는 안정적이지 않습니다. 그들은 외곽 전자껍질을 완전히 채우고 싶어합니다. 마치 비활성 기체처럼요.

이를 위해 원자들은 다른 원자와 두 가지 주요 방식으로 결합합니다:

이온 결합: 한 원자가 다른 원자에게 전자를 전달합니다.

식염(NaCl)이 전형적인 예입니다. 나트륨은 1개의 최외각 전자를 잃고 싶어합니다. 염소는 7개의 최외각 전자를 가지고 있으며 1개를 더 채우고 싶어합니다. 나트륨은 그 전자를 염소에게 넘겨줍니다. 이제 둘 다 외곽 전자껍질이 완전히 채워졌지만, 나트륨은 전자를 잃어 양전하를 띠고, 염소는 전자를 받아 음전하를 띠게 됩니다. 반대 전하끼리 끌어당겨 서로 결합합니다.

공유 결합: 원자들이 전자를 공유합니다.

물(H₂O)이 이런 방식으로 작동합니다. 산소는 전자 2개를 더 필요로 합니다. 각 수소는 공유할 전자 1개를 가지고 있습니다. 그래서 산소는 두 개의 수소와 전자를 공유합니다. 아무도 전자를 포기하지 않습니다: 그들은 협력합니다.

이온 화합물은 결정체를 형성하고 물에 녹는 경향이 있습니다. 공유 화합물은 분자를 형성하는 경향이 있습니다: H₂O나 CO₂와 같은 개별 단위입니다.

소금이 왜 녹을까

소금 결정체를 물 한 컵에 떨어뜨리면, 그것은 사라집니다. 고체가 분해되고 나트륨과 염소 이온이 물 속으로 퍼집니다.

이 현상은 물이 극성 분자이기 때문입니다: 산소 쪽은 약간 음전하를 띠고, 수소 쪽은 약간 양전하를 띱니다.

반응이란 무엇인가?

반응물은 생성물이 됩니다

화학 반응은 원자들이 결합을 재배열하여 새로운 물질을 형성할 때 발생합니다.

시작 물질은 반응물이라고 합니다. 결과는 생성물이라고 합니다.

절대적인 규칙: 화학 반응에서 원자는 결코 생성되거나 파괴되지 않습니다. 이것은 질량 보존 법칙입니다. 들어간 모든 원자는 반드시 나와야 합니다: 단지 재배열될 뿐입니다.

반응은 발열 반응(에너지를 방출: 불, 폭발, 손난로) 또는 흡열 반응(에너지를 흡수: 냉각 팩, 광합성, 계란 요리)일 수 있습니다.

화학은 어디에나 있습니다:

- 녹: 철 + 산소 → 산화철. 느리고, 발열 반응.

- 연소: 연료 + 산소 → 이산화탄소 + 물. 빠르고, 매우 발열 반응.

- 광합성: 이산화탄소 + 물 + 햇빛 → 포도당 + 산소. 흡열 반응: 식물이 태양의 에너지를 화학적 결합에 저장합니다.

이 모든 것은 원자들이 기존 결합을 끊고 새 결합을 형성하는 것입니다.

녹의 화학

오래된 자동차, 도구, 또는 못에서 녹을 본 적이 있을 것입니다. 녹은 천천히 형성되지만, 실제 화학 반응입니다.

화학 반응식은 다음과 같습니다: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

이는 다음과 같이 읽습니다: 네 개의 철 원자가 세 개의 산소 분자와 반응하여 두 단위의 산화철(녹)을 생성합니다.

Chemistry in Your Life

당신은 화학 실험실 속에 살고 있습니다

화학은 비커 안에서만 일어나는 것이 아닙니다. 화학은 언제나, 모든 곳에서 일어나고 있습니다.

요리: 고기를 갈색으로 굽거나 빵을 구울 때, 그것은 메일라드 반응입니다. 아미노산과 당이 수백 가지 새로운 향미 화합물로 재배열되는 반응입니다.

의약: 모든 약물은 몸속 특정 수용체에 꼭 맞게 설계된 분자입니다. 마치 열쇠가 자물쇠에 맞는 것처럼요.

소재: 지금 이 글을 읽고 있는 화면은 화학자들이 액정, 반도체, 고분자 필름을 만드는 방법을 알아냈기 때문에 존재합니다.

배터리: 휴대폰은 리튬 이온 화학으로 작동합니다. 리튬 원자가 전극 사이에서 전자를 앞뒤로 이동시키는 원리입니다.

당신의 몸: 지금 이 순간, 세포 속 효소들은 음식을 분해하고, 단백질을 합성하며, DNA를 복제하는 등 초당 수천 번의 화학 반응을 촉매하고 있습니다.

모든 물질, 모든 약, 모든 기술은 원자들이 결합을 형성하는 데서 시작됩니다.

당신의 차례

일상 속 화학 연결하기

이제 원자, 원소, 결합, 반응에 대해 알게 되었습니다. 사물의 기원과 그 행동 방식을 설명할 수 있는 어휘를 갖추었습니다.