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원자의 구조
원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 전자는 원자핵 주위에 분포하고 있습니다.
(1) 원자핵
(+) 전하를 띠는 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 이루어져 있습니다.
- 양성자 : 양성자수는 원자마다 고유한 값을 가지므로 원자의 종류를 결정하므로 양성자수를 원자 번호로 사용합니다.
- 중성자 : 원자핵에서 양성자 사이의 반발력을 줄여주는 역할을 하며, 양성자와 함께 원자의 질량을 결정합니다.
(2) 전자
(-) 전하를 띠고 있으며, 전자 1개의 전하량은 양성자 1개의 전하량과 크기는 같고, 부호는 반대입니다.
=> 원자는 양성자수와 전자 수가 같아 전기적으로 중성상태입니다.
* 동위 원소
양성자수가 같으면 중성자수나 전자수가 달라도 원자 번호는 같습니다. 이때 중성자수가 달라서 질량수가 다른 원소를 동위 원소라고 하며 동위 원소는 화학적 성질이 서로 같습니다.
전자 배치
(1) 전자 껍질
원자핵 주위의 전자가 운동하는 특정한 에너지 준위의 궤도를 말합니다.
에너지 준위 : 전자가 가지는 특정한 에너지 값으로 원자핵에 가까울수록 낮고 원자핵에서 멀수록 높습니다.
전자는 전자껍질이 갖는 에너지 사이에는 존재할 수 없습니다.
* 주 양자수
원자핵에서 가장 가까운 전자껍질부터 순서대로 번호를 붙이는데 이를 주 양자수(n)라고 합니다. 원자핵에서 가장 가까운 전자 껍질의 주 양자수는 1이고, 두 뻔째 전자 껍질의 주 양자수는 2가 됩니다.
주 양자수의 번호 대신 기호를 붙이기도 하는데 원자핵에 가장 가까운 전자 껍질부터 K(n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4) 껍질 등으로 붙입니다.
(2) 전자 배치
전자가 배치될 때 다음과 같은 규칙이 있습니다.
- 전자는 원자핵에서 가장 가까운 전자껍질(에너지 준위가 가장 낮은)부터 채워집니다.
- 전자는 첫 번째 전자껍질에는 초대 2개, 두번째 전자 껍질에는 최대 8개가 채워집니다.
* 바닥상태 : 원자가 가장 낮은 에너지를 가지는 안 정한 상태를 바닥상태라고 하며 전자가 원자핵에 가장 가까운 전자껍질부터 채워졌을 때가 바닥상태입니다.
(3) 원자가 전자
원자의 전자 배치에서 가장 바깥 전자껍질에 채워진 전자를 원자가 전자라고 합니다.
원자가 전자는 원소의 화학적 성질을 결정하는 중요한 요인으로, 원자가 전자 수가 같은 원소들의 화학적 성질은 비슷합니다.
* 원자가 전자와 화학적 성질 : 원자가 전자는 다른 원자와의 결합네 관여하므로 원자가 전자 수가 그 원소의 화학적 성질을 결정합니다.
(4) 전자 배치에 따른 원소의 주기성
주기율표의 일부 원소들의 전자 배치는 다음과 같습니다.
① 같은 주기 원소
같은 주기에 위치한 원소는 전자가 채워진 전자 껍질 수가 서로 같습니다. 즉 전자가 채워진 전자 껍질 수는 주기율표 주기와 같습니다. 예를 들어 1주기 원소는 전자가 채워진 전자 껍질 수가 1이고, 2주기 원소는 전자 껍질 수가 2입니다.
② 같은 족 원소
같은 족에 위치한 원소는 원자가 전자 수가 같습니다. 즉 원자가 전자 수는 주기율표 족의 일의 자릿수와 같습니다. 예를 들어 15족 원소의 원자가 전자 수는 5, 16족 원소는 원자가 전자 수가 6이 됩니다.
③ 원소들의 주기성이 나타나는 까닭
원소의 원자가 전자 수가 주기적으로 변하기 때문입니다.
* 18족의 원자가 전자수 : 18족 원소는 화학적으로 안정하여 다른 물질과 결합을 형성하지 않습니다.
따라서 18족 원소는 가장 바깥 전자 껍질에 전자가 8개 채워져 있지만 원자가 전자 수는 0이 됩니다.
알칼리 금속
(1) 알칼리 금속
알칼리 금속은 주기율표의 1족 원소 중 수소(H)를 제외한 금속 원소이며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)등이 있습니다.
* 알칼리 : 예전 아리비아인들은 알칼리의 알(al)은 물질, 칼리(kali)는 재라는 뜻으로 알칼리를 식물의 재라고 했습니다. 이 재로부터 추출된 물질과 비슷한 성질, 즉 강한 염기성을 나타내는 물질을 모두 알칼리라고 불렀습니다. 현재는 물에 녹는 강한 염기를 알칼리라고 합니다.
(2) 전자 배치
알칼리 금속은 우너자가 전자 수가 모두 1입니다.
=> 원자가 전자 수가 같으므로 화학적 성질이 비슷합니다.
알칼리 금속의 성질
(1) 물리적 성질
- 실온(25℃)에서 고체 상태이고, 은백색의 광택을 나타냅니다.
- 나무칼로 자를 수 있을 정도로 무른 금속입니다.
- 다른 금속에 비해 밀도가 작고, 녹는점과 끓는점이 대체로 낮습니다.
(2) 화학적 성질
① 전자 1개를 잃어 +1가 양이온이 되기 쉽습니다.
② 반응성이 매우 커서 공기 중의 산소와 쉽게 반응하여 금속광택을 잃어버립니다.
③ 물과 격렬히 반응하여 수소 기체를 발생하고 수용액은 염기성을 나타냅니다.
=> 수용액에 페놀프탈레인 용액을 떨어뜨리면 붉게 변합니다.
알칼리 금속의 이용
(1) 알칼리 금속은 반응성이 크기 때문에 자연계에서 이온이나 다른 원소와 결합한 화합물 형태로 주로 존재합니다.
(2) 알칼리 금속의 이용
- 리튬 : 휴대전화, 노트북 등에 리튬 이온이 포함된 배터리 이용
- 나트륨 : 소금에 포함되어 있고 가로등과 터널의 조명등에 이용
- 칼륨 : 비료, 바나나에 포함되어 있고 불꽃놀이에 이용
할로젠 원소
(1) 할로젠 원소
할로젠 원소는 주기율표의 17족 원소로 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At) 등이 있으며 모두 비금속 원소입니다.
(2) 전자 배치
할로젠 원소는 원자가 전자 수가 모두 7입니다.
=> 원자가 전자 수가 같으므로 화학적 성질이 비슷합니다.
할로젠 원소의 성질
(1) 물리적 성질
- 실온(25℃)에서 고체, 액체, 기체 상태로 존재합니다.
- 특유의 색을 나타내며, 원자 번호가 클수록 녹는점, 끓는점이 높습니다.
(2) 화학적 성질
①실온(25℃)에서 이원자 분자로 존재합니다.
②전자 1개를 얻어 -1가 음이온이 되기 쉽습니다.
③수소와 반응하여 할로젠화 수소(HX) 화합물을 만들고, 그 화합물은 물에 녹아 산성을 나타냅니다.
④금속과 반응하여 화합물을 생성합니다.
할로젠 원소의 이용
(1) 할로젠 원소는 반응성이 크기 때문에 자연계에서 대부분 화합물 형태로 존재합니다.
(2) 할로젠 원소의 이용
- 플로오린 : 충치 예방 효과가 있어 치약에 이용
- 염소 : 수영장 물의 소독, 표백제에 이용
- 브로민 : 사진 인화 시 감광제로 이용
- 아이오딘 : 상처 소독에 쓰는 소독약에 이용