화학의 기초, 원자의 구성

개요

우리들은 중학생일때 무엇을 배웠는가, 과학의 진리를 배운것이 아니라 억지로 끼워맞춘 퍼즐들을 현실과는 딴판으로, 그저 쉽다는 이유 전개해 나가는 법을 배웠다. 적어도 2015년 개정교육과정에서는 말이다. 혹은 그 이전부터거나.

일단 원자번호가 왜 이렇고 저렇고, 전자는 왜 저렇고 이런지, 그리고 이 숫자들의 의미는 무엇인지, 원자의 구성을 알게 된다면(적어도 현대적 원자 모형의 정말 기본) 자연스럽게 풀릴 것이다.

하지만, 왜 현대적 원자 모형에 관련된 그 양자역학에 관련된 숫자와 개념에 대한 물음은 풀 수 없을 것이다.

이유는 굉장히 복잡한 수학 공식으로 풀이되어 있고, 전공지식이기 때문이다.

그럼, 알 수 있는 정보와 알 수 없는 정보에 대해 간략히 짚었으니 현대적 원자 모형에 이르기 까지 과정과, 그 구성요소들인 전자, 에너지 준위, 오비탈, 전자배치에 관해 설명하겠다.

원자 모형의 역사

1. 톰슨 원자 모형 : 원자에 음전하가 곳곳에 박혀있고 양전하도 곳곳에 퍼져있다.

2. 러더퍼드 원자 모형 : 원자 중심에 커다란 양전하(핵)을 중심으로 음전하인 전자가 광속으로 회전한다.

3. 보어 원자 모형 : 원자 중심에 핵이 존재하며 전자는 전자껍질에 종속되어 위치한다.

4. 현대적 원자 모형 : 원자 중심에 핵이 존재하며 전자는 오비탈에 종속되어 있다.

(중학교에서) 2번과 3번은 교육 목적, 이해를 돕기 위하여 사용한다.

(화학1에서) 3번과 4번, 보어 원자 모형과 현대적 원자 모형은 같이 쓰고 있다. 

보어 원자 모형은 오비탈 개념을 빼고 설명한 것이라고 보면 되고, 현대적 원자 모형은 오비탈 개념에 의거하여 전자 배치와 그 에너지 준위를 설명한다.

각 원자 모형들은 모두 어떠한 실험에 의하여 고안되었는데, 그 실험들의 명칭과 간단한 개요를 알아두면 좋다.

1. 톰슨 음극선 실험

이것에 의하여 톰슨 원자 모형이 고안되었다. -원자핵 개념이 도입되었다-

기체에 고전압을 걸어 전자를 튕겨져 나오게 하는데, 이때 전자의 연속이 내부의 +극의 자석에 의하여 그쪽으로 휘어짐과 그 이전 전자들이 직선으로 나오는 것,

(위 그림에는 없지만) 작은 바람개비를 움직인다는 것을 관찰 할 수 있다. 이로써, 전자의 전하가 - 인것과 질량이 있다는 것도 알 수 있다.

2. 러더퍼드 알파 입자 산란 실험

알파 입자(헬륨입자에서 전자를 모두 제거한 입자)를 금박에 쏘았을때 대부분은 그것을 통과하고, 소수는 조금 휘며, 극소수는 금박에 튕겨져 나가는 것을 관찰 할 수 있다.

이로써, 어떠한 헬륨 원자핵보다 매우 큰 공간이 금박 원자 내부에 존재한다는 것이고, 즉 원자핵과 전자 사이에는 매우 큰 거리가 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 더 적은 확률로 금박 원자핵과의 전기력(척력)으로 휘어지고, 매우 적은 확률로 원자핵과 부딪혀 튕겨지는 것을 알 수 있다.

3. 보어 원자 모형

보어 원자 모형은 원소에 따른 스펙트럼의 변화를 입증하기 위하여 고안된 것이다. 전자껍질 개념을 도입해서 전자가 전자껍질 내부 2n^2 찰때 한개의 전자껍질이 더 추가되는 형식으로, 곧 에너지 준위가 올라간다는식으로 설명한다. 에너지 준위 차이로 빛이 방출되어 스펙트럼의 변화를 설명할 수 있게 된다. 하지만, 같은 원자에서도 조금씩 다른 스펙트럼을 설명하지 못한다.

보어 원자 모형에서 전자껍질 개념은 매우 중요하다.

바닥, 들뜬상태가 있으며 바닥상태일때 안정하고 들떠있을때 외부로부터 에너지 출입이 있다는 말이다.바닥상태와 들뜬상태의 에너지 차이로 인하여 에너지가 방출된다. (바깥쪽 전자껍질은 더 높은 에너지 준위를 의미한다.) - 고전압에 의하여 전자가 밖으로 튕겨져 나오는 이유가 이것이다 -선 스펙트럼은 앞서 말했듯이 에너지 방출에 의한 것이다.이름이 있는데, n이 전자껍질의 번수(원자핵에서 가까운 것)라면 2 이상에서 1로 들뜬 상태가 바닥 상태로, 즉 전자가 전이한다면 라이먼 계열이라 한다. 이것은 자외선 영역이다.3이상에서 2로, 발머 계열이라 한다. 이것은 주로 가시광선이다.4이상에서 3으로, 파셴 계열이라 한다. 적외선 영역이다.알다시피 높은 에너지를 가진다면 상대적으로 높은 주파수를 가진다. 거리가 짧아지고, 파동이 커진다.

4. 현대적 원자 모형

이것이 모든 것을 설명해줄 수 있다. 아니, 대부분을 설명해 줄 수 있다고 믿는다.간략하게 설명하겠다.오비탈은 s, p, d, ... 라는 이름이 있다.오비탈에게 따라 붙는 수는 양자수라는 것인데, 총 4가지가 있다.1. 주 양자수 : n, 오비탈의 크기(에너지)를 말한다. (대체적으로 이것은 전자껍질의 n과 같다.)2. 부 양자수 : l, 오비탈의 모양을 말한다.  (0, 1, 2, ... 차례대로 s, p, d, ... 에 매치된다.)3. 자기 양자수 : m, 오비탈의 방향을 말한다. 2|l| + 1개가 존재한다. (방향이란 x, y, z축 .. 을 의미한다.)4. 스핀 양자수 : s, 오비탈 내부 전자의 스핀을 결정한다. 위쪽 +1/2, 아랫쪽 -1/2이다. 왜 그런지는 모른다.어떠한 한개의 오비탈의 갯수를 물을때는 방향에 따른 오비탈을 추가로 더해줘야한다. 즉, 3개의 방향을 가진다면 하나의 부 양자수에 대한 오비탈은 3개가 된다.파울리 배타 원리에 의하여 전자는 최대 한개의 오비탈에 2개 들어갈 수 있다.훈트 규칙에 의하여 전자는 한개의 오비탈에 한개 있으면 안정된 상태다.쌓음 원리에 의하여 에너지 준위가 작은 오비탈부터 배치된다.훈트 규칙은 불만족 될 수 있다. 그러나, 파울리 배타 원리와 쌓음 원리에 어긋난다면 그것은 원자가 아니다.

n+l로 에너지 준위가 결정된다. 

4s (4 + 0)보다, 3d (3 + 2)가 더 에너지 준위가 크다는 것을 알 수 있다. 하지만, 4s가 보어 원자 모형에서 바깥쪽 전자 껍질을 담당한다. 이렇게 해서 조금 헷갈릴 수 있다.

많은 의문들을 해결 할 수 있었다.

 

기본적으로 원자핵과 전자사이 전기력이 작용한다는 것과 그 힘, 그리고 다른 에너지 준위를 고려하여 보았을때 자신이 생각했던 의문이 풀릴때가 있다.

끝