우주 초기의 원소
물질을 이루는 기본 입자의 생성
- 가모에 의해 제시된 빅뱅 우주론에 따르면 약 138억 년 전의 대폭발(Bing Bang)에 의해 시간과 공간이 만들어졌으며, 폭발의 순간 물질을 이루는 가장 기본이 되는 입자들이 만들어지면서 비로소 물질세계가 시작되었다.
빅뱅 우주론
- 빅뱅 이후 우주가 시간에 따라 팽창하며 물질과 에너지가 퍼지고, 이후 은하와 별이 만들어지는 모습을 나타낸 모형
- 빅뱅 직후 초고온, 초고밀도 상태의 우주는 급격한 팽창으로 식어 가면서 물질의 기본이 되는 *쿼크와 전자가 만들어졌다.
- 당시 우주는 온도가 너무 높아서 양성자와 중성자는 매우 빠르게 운동하여 서로 결합할 수 없었다.
( = 수소 원자핵 이외의 원자핵이 만들어지지 못한 채 전자와 같은 입자들과 함께 있었다. )
*쿼크
- 빅뱅 직후 빛, 전자 등과 함께 초기 우주에 존재했던 물질의 기본 입자로, 양성자와 중성자를 이루는 쿼크들을 포함하여 모두 6종류가 밝혀졌다.
- 쿼크들이 3개씩 다르게 결합하여 양성자와 중성자라는 입자가 만들어졌다.
- 양성자 1개는 그 자체로 수소의 원자핵이 된다.
| 양성자 | 중성자 | |
| 업쿼크 : 다운쿼크 | 2 : 1 | 1 : 2 |
| 에너지 | +⅔e | -⅓e |
| 질량 | 같다. | |
원자
- 원자는 원자핵과 전자로 이루어진 구조이고, 원자핵은 양성자와 중성자로 되어 있다.
- 한 원자 속에 들어 있는 양성자의 개수와 전자의 개수가 같으므로 전기적으로 중성을 띤다.
원자핵(nucleus)
- 원자의 질량의 대부분을 차지하며, 원자핵은 양성자와 중성자가 단단하게 결합되어 있다.
( 원자 = 원자핵의 질량 )
양성자(proton)
- 3개의 쿼크가 결합하여 +1의 전하를 띤다.
+ 양성자의 개수에 따라 원자의 종류가 결정된다. ( 수소 = 1개, 헬륨 = 2개, 리튬 = 3개 )
중성자(neutron)
- 3개의 쿼크로 이루어져 있지만 전하를 띄지 않으며, 질량은 양성자와 거의 같다.
- 중성자는 양성자들이 원자핵 속에서 단단하게 뭉쳐 있을 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
중성자의 개수에 따른 수소의 종류
- 보통의 수소는 원자핵에 양성자만 들어 있고 중성자가 들어있지 않지만, 원자핵에 중성자가 1개 들어 있는 중수소(양성자 + 중성자의 질량 = 수소(양성자)의 2배)와 중성자가 2개 들어있는 3중 수소(양성자 + 중성자2 질량 = 수소(양성자)의 3배)도 존재한다.
전자
- 원자핵 주변을 빠르게 운동하고 있으며 (-) 전하를 띤다.
*우주 나이 1초
- 우주 탄생 초기에 쿼크, 전자, 빛(광자) 등 기본 입자 만들어짐. -> 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자가 만들어졌다.
- 우주 나이 1초가 되기 전에는 양성자와 중성자의 비율이 거의 같았다. ( 1 : 1 )
- 우주의 온도가 낮아지면서 중성자의 일부가 양성자로 점차 바뀌자 양성자와 중성자의 비율이 약 7 : 1로 변하게 되었다.
*우주 나이 3분
- 우주 나이 약 3분에 이르면 우주 온도가 약 10억 K 이하로 낮아지므로 양성자와 중성자가 단단히 결합할 수 있게 된다.
( 절대 온도(K) - 영하 273.15℃를 기준(0 K)으로 하여, 보통의 섭씨온도와 같은 간격으로 눈금을 정한 온도 )
- 양성자와 중성자가 서로 충돌하여 중수소 원자핵이나 3중 수소 원자핵이 만들어졌다.
- 중수소 원자핵과 3중 수소 원자핵이 결합하면서 헬륨 원자핵을 만들게 되었다. (빅뱅 핵합성)
- 빅뱅 핵합성 때문에 중성자와 결합하지 못한 양성자의 수가 더 많아지게 된다.
- 헬륨 원자핵이 만들어지는 과정이 끝났을 때 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 개수비는 12 : 1, 질량비는 3 : 1이 되었다.
( -> 양성자 : 중성자 비율 = 7 : 1 = 14 : 2
-> 양성자2 + 중성자2 = 헬륨 원자핵
-> 양성자(수소 원자핵) : 헬륨 원자핵 입자비(개수비) = 12 : 1
-> 수소 원자핵 : 헬륨 원자핵 질량비 ( -> 수소 원자핵 4개 = 헬륨 1개 질량) = 3 : 1 )
- 헬륨 원자핵이 만들어지는 동안에도 우주는 팽창하므로 계속하여 온도가 낮아지고, 입자들의 운동 에너지도 작아져 더 이상의 핵합성이 일어나지 않게 된다.
*우주 나이 38만 년
- 우주의 온도는 더 낮아져 약 3000K에 이르게 되고, 이에 따라 전자의 운동 에너지도 작아져 수소 원자핵이나 헬륨 원자핵에 잡혀 수소 원자와 헬륨 원자가 된다.
(원자핵, 전자 결합 -> 입자 절반으로 줄어듦. -> 공간 넓어짐 -> 전자 때문에 멀리 퍼지지 못했던 빛이 우주 공간을 자유롭게 이동하기 시작함 = *우주 배경 복사 )
- 이때 만들어진 수소와 헬륨 원자는 중력의 영향으로 응축되어 이후 우주의 은하와 별들을 만들게 된다. (질량o = 중력o)
*우주 배경 복사 - 탄생 직후 우주의 온도와 밀도는 대단히 높았기 때문에 빛과 입자들이 마구 뒤섞여 있었고, 빛은 전자와 계속 충돌하므로 앞으로 나아갈 수 없었다. 우주의 온도가 낮아지자 전기적으로 중성인 원자가 형성되면서 빛이 방해를 받지 않고 퍼져 나갔는데, 이 빛이 우주 배경 복사이다. 우주 배경 복사의 발견은 빅뱅 우주론을 뒷받침하는 결정적 증거가 되었다.
+ 허블(우주가 팽창), 가모(빅뱅 핵 합성 이론), 호일(빅뱅 반대), 펜지어스와 윌슨(우주 배경 복사)의 관측을 통해 빅뱅 우주론의 확립 과정이 이루어졌다..
빅뱅 우주론의 확립과 관련된 펜지어스와 윌슨의 연구 내용 - 가모는 우주의 탄생 무렵 초고온 초고밀도 상태에서 폭발했다면 그 열의 흔적이 우주 전역에 남아 있을 것이라고 생각하였다. 즉, 빅뱅 이후 약 38만 년이 지났을 때 수소 원자핵이나 헬륨 원자핵이 전자와 결합을 통해 중성 원자를 만들면서부터 전자와의 상호 작용에서 벗어나 빛이 자유롭게 퍼져 나갈 것이라고 예측하였고, 이를 우주 배경 복사라고 하였다. 1965년에 펜지어스와 윌슨은 바로 이 우주 배경 복사를 관측하여 사실로 확인하였다. 우주 배경 복사의 관측으로 빅뱅 우주론은 널리 인정받게 되었으며 이후 쏘아 올린 관측 위성을 통해 우주 배경 복사를 더욱 정밀하게 관측하는 연구 토대가 되었다.
빅뱅 우주론의 확립과 관련된 호일의 연구 내용 - 호일은 우주가 한 점에서부터 급격한 팽창을 통해 시작되었다는 가모의 우주론을 비웃기 위해 가모의 우주론을 '빅뱅' 우주론이라고 불렀다. 호일일 제시한 정상 우주론에 따르면 우주가 팽창하고 있지만 우주 공간에 존재하는 물질의 평균 밀도가 일정하다. 즉, 호일은 우주가 팽창하면서 생기는 공간에 새로운 물질이 계속 만들어져 채워지므로 우주가 팽창하더라도 전체적인 모습은 항상 같게 유지된다고 생각하였다. 호일은 방송이나 저술 등의 다양한 활동을 통해 과학의 대중화에 많은 기여를 하였다.
스펙트럼
- 가모는 빅뱅 우주론을 통해 수소, 헬륨과 같은 가벼운 원소들이 우주 초기의 핵융합으로 생성되었을 것이라고 생각하였다. 그의 예상은 우주 전역에서 들어오는 빛의 스펙트럼을 분석한 실제 관측값(수소와 헬륨의 비율)과 정확하게 일치하였다. ( = 빅뱅 우주론을 지지하는 중요 근거)
- 빛은 파장에 따라 굴절률이 다르다. (by. 뉴턴)
빛의 분산
- 여러 가지 파장이 섞여 있는 햇빛을 프리즘(분광기)에 통과시키면 각 파장별로 빛이 분리된다.
스펙트럼
- 빛이 분산되어 생긴 띠이며, 연속 스펙트럼, 선 스펙트럼, 흡수 스펙트럼이 있다.
연속 스펙트럼
- 무지개처럼 넓은 파장에 걸쳐 연속적으로 퍼진 빛의 띠가 나타나는 스펙트럼
- 햇빛이나 고온의 고체(전구)가 내는 빛을 프리즘에 통과시키면 연속 스펙트럼이 나타난다. = 고온 고밀도의 광원 (태양, 백열전구)
흡수 스펙트럼
- 연속 스펙트럼에서 검은 선이 나타나는 스펙트럼
- 광원과 관측자 사이에 기체 구름이 있어 광원으로부터 오는 특정 파장의 빛을 흡수할 때 나타난다.
( => 광원 저온의 기체 분광기 -> 흡수 스펙트럼)
선 스펙트럼
- 검은 바탕에 밝은 선이 나타나는 스펙트럼
- 가열된 기체 구름이 내는 빛을 프리즘에 통과시키면 선 스펙트럼이 나타난다. 고온의 기체 ( -> 형광등)
- 불꽃반응(금속 원소가 포함된 물질에 불을 붙일 때 금속 원소의 종류에 따라 특정한 불꽃색이 나타나는 현상 + 나트륨 = 노란색, 칼륨 = 보라색 )을 통해 특유의 불꽃색을 나타내듯이 기체 구름을 이루는 원소도 구성 성분과 온도에 따라 특정한 파장에서 빛을 방출하기 때문이다.
- 하나의 원소로 된 어떤 물질이 빛을 내면 몇 가지의 색의 빛만 보이는 선 스펙트럼이 만들어진다. 이는 원자에 포함된 전자가 에너지를 얻거나 잃어 에너지 준위(수준) 상태가 변할 때 빛을 내놓기 때문이다.
- 원자 속의 전자는 원자핵으로부터 특정한 거리만큼 떨어진 위치에만 존재할 수 있다.
에너지 준위
- 원자 속 전자들의 위치에 따른 에너지 (원자핵과 가까운 곳 = 낮은 에너지 준위, 먼 곳 = 높은 에너지 준위)
- 낮은 에너지 준위에 있는 전자가 높은 에너지 준위로 이동하려면 특정한 색의 빛을 흡수해야 한다.
- 높은 에너지 준위에 있는 전자가 낮은 에너지 준위로 이동하려면 특정한 색의 빛을 방출한다.
- 이처럼 전자가 에너지 준위 사이를 이동할 때 흡수 또는 방출하는 빛으로부터 선 스펙트럼을 관찰할 수 있다.
- 에너지 준위는 각 원자마다 다양하게 나타나므로 원자마다 고유한 선 스펙트럼이 나타난다.
각 원자의 선 스펙트럼 - 원자의 종류에 따라 에너지 준위와 그 간격이 다르기 때문에 각 원자마다 선 스펙트럼이 다르게 나타난다. 그러므로 어떤 물질의 선 스펙트럼을 조사하면 그 물질이 무엇으로 이루어져 있는지 알 수 있다.
형광등 - 형광등은 진공으로 된 유리관에 수은, 아르곤 등의 기체를 넣고 안쪽 벽에 형광 도료를 칠한 전등이다.
무거운 원소의 탄생
별의 생성
- 빅뱅 우주론은 초기 우주에 만들어진 수소나 헬륨 원자에 대하여 잘 설명하고 있다. 그러나 다른 원자핵이 만들어진 과정에 대해서는 제대로 설명하지 못하여 비판을 받았다.
- 우주 배경 복사를 조사해 보면 우주의 온도 분포는 대체로 고르지만 미세하게 고르지 않은 부분도 나타난다.
(100만 분의 1만큼 온도 차이 남.) -> 이 작은 차이는 초기 우주에 밀도가 높은 부분과 그렇지 않은 부분이 있었음을 뜻한다.
- 우주에서 밀도가 좀 더 높은 부분은 이곳을 중심으로 중력에 의해 물질이 뭉쳐져 있다는 것을 뜻한다.
- 물질이 뭉쳐진 부분에서 은하가 만들어지고, 은하 안에서도 밀도가 높은 부분의 온도가 높아져 별이 된다.
수소 핵융합 반응
- 별의 탄생 과정에서 수소 기체가 중력 수축을 하게 되면 별 내부의 온도가 수천만 K 이상 상승한다. 이때 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 융합할 수 있게 된다.
- 별 내부에서의 핵융합 반응은 수소 원자핵이 핵융합하여 헬륨 원자핵을 만드는 과정이다.
( 헬륨 = 우주에서, 양성자 + 중성자 -> 중수소 + 3중 수소 -> 헬륨 / 별에서, 수소 4개 ->에너지방출(핵융합)-> 헬륨)
- 이 과정에서 생성된 헬륨 원자핵의 질량은 반응 전 수소 원자핵들의 질량 합보다 작으며, 이때 감소한 질량만큼 에너지가 방출된다. ( 질량 결손 )
별이 일정한 크기를 유지하는 까닭 - 별 내부의 수소 핵융합에 의해 발생한 에너지는 별을 이루는 기체 물질을 밖으로 밀어내지만 중력은 물질을 끌어당겨 수축하려고 한다. 별은 기체가 밖으로 미는 힘과 중력이 평형을 이루어 일정한 크기를 유지할 수 있다.
헬륨보다 무거운 원소의 생성
- 태양과 비슷한 질량을 가진 별에서의 핵융합 반응은 원료인 수소가 공급되는 동안 계속된다.
- 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합이 계속되면 별의 중심부에는 헬륨이 점점 많아지고 수소의 양은 적어진다.
- 중심부의 수소가 소진되면, 수소 핵융합이 더 이상 일어나지 않게 된다.
- 수소 핵융합 반응이 멈추면 중력 수축에 맞서 기체가 별 내부에서 밖으로 밀어내는 힘이 줄어들어 별의 안쪽은 급격히 수축하지만 바깥 부분은 급격히 팽창하고 밝아진다.
- 별이 이 단계에 이르면 중력 수축에 의해 중심부의 온도가 매우 높아져 중심부의 헬륨 원자핵은 탄소 원자핵으로 융합한다.
- 태양보다 질량이 훨씬 큰 별들은 핵융합에 필요한 에너지원이 넉넉하기 때문에 중심부의 온도가 계속 상승한다. ( 태양 = 중력이 적어서 헬륨까지만 만들 수 있다. )
- 탄소보다 무거운 원소가 계속 생성될 수 있을 만큼 중심핵의 온도가 높아지면 탄소는 산소로 바뀌고, 산소가 핵융합의 연료가 되어 네온으로, 네온은 마그네슘으로 바뀌며, 규소, 황, 철까지 만들어진다.
- 철이 만들어지면 별 내부의 핵융합 반응은 더 이상 일어나지 않는다.
- 철보다 더 무거운 원자핵을 만들기 위한 핵융합 반응에서는 에너지를 방출하는 것이 아니라 오히려 주변의 에너지를 흡수하기 때문이다.
초신성
- 질량이 큰 별이 급격히 폭발하여 매우 밝아지는 별
- 질량이 태양보다 10배 이상 큰 별은 내부에서 철까지 만들고 핵융합을 중단한 이후에도 중력에 의해 계속 수축한다.
- 철의 원자핵이 중력에 의한 수출을 견디지 못하면 별은 대규모 폭발을 하게 된다.
- 초신성이 폭발할 때는 별의 구성 물질 대부분을 밖으로 내뿜어 주위에 가스와 먼지 등이 남는다.(초신성의 잔해)
- 초신성이 폭발할 때 방출되는 에너지는 철보다 더 무거운 원소를 만드는 데 사용되므로 아주 짧은 순간에 많은 종류의 무거운 원소를 만들어어 우주 공간으로 퍼뜨린다.
원시 태양계
- 약 50억 년 전에 지금의 태양계 부근에서 초신성이 폭발하여 흩어진 무거운 원소들과 저온의 기체 등이 모여 태양계 성운이 형성되었다.
- 태양계 성운은 중력의 영향으로 점차 수축하여 중심부가 점점 더 볼록하게 변하였고 밀도와 온도가 높아졌다.
- 성운이 빠르게 회전하면서 가장자리는 납작한 원반 모양(태양계 - 수금지화목토천해)을 이루게 되었다.
- 태양계 성운의 볼록한 중심부는 주변의 물질을 흡수하여 더욱 커져 원시 태양이 된다. (고온o, 핵융합x)
- 성운이 수축하면서 중심부를 둘러싼 원반이 여러 개의 큰 고리가 된다.
- 이 고리를 구성하는 기체와 티끌이 뭉쳐져 미행성체(태양계가 탄생하는 과정에서 존재하였던 작은 천체로, 태양계 성운 안의 기체와 고체 입자가 서로 충돌하여 합쳐져서 성장한 것)가 된다.
- 미행성체들의 충돌을 통해 원시 행성이 되고, 이들이 원시 태양 주위를 회전하면서 다른 미행성체를 끌어당겨 행성으로 성장한다.
- 원시 태양이 수소 핵융합 반응이 일어날 수 있을 정도로 온도가 높아지면 태양이 된다.
- 행성이 형성되고 남은 주변의 기체와 티끌을 태양풍이 태양계 바깥으로 날려 보내면서 현재의 태양계가 만들어진다.
- 행성이 만들어질 때 태양과 가까운 곳에서는 철, 니켈, 규산염 등과 같이 무거운 물질들이 남아 서로 충돌하여 뭉쳐진 후 성장하였다. 이들이 수성, 금성, 지구, 화성과 같은 지구형 행성을 이루게 되었다.
- 태양으로부터 멀리 떨어진 곳은 온도가 낮아서 녹는점이 낮은 얼음이나 메테인 등이 응축하기 시작하였으며, 태양계 가장자리로 밀려 나오거나 흩어져 있던 수소나 헬륨 같은 가벼운 기체들을 중력으로 끌어당겨 크게 성장하였다. 이들이 목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 목성형 행성을 이루게 되었다.
지구를 구성하는 원소들
- 지구 탄생 초기에는 미행성체가 계속 충돌(마찰력)하면서 열이 발생하여 지구 전체가 *마그마의 바다가 되었다.
- 이때 무거운 물질은 중심부로 가라앉아 핵을 이루고, 가벼운 물질은 떠올라서 맨틀과 지각을 이루었다.
- 즉, 지각과 맨틀에는 산소와 규소 등 가벼운 물질이 , 외핵과 내핵에는 철과 니켈 등 무거운 원소가 많이 포함되어 있다.
- 지구 탄생 초기에는 화산 활동이 활발해지면서 많은 기체가 분출(중력이 약해서)하였다.
- 기체의 주성분은 수소, 이산화 탄소, 질소, 수증기 등으로, 시간이 지나면서 수소와 같은 가벼운 기체는 달아나고 질소와 산소 같은 무거운 기체가 행성 둘레를 에워쌌다.
- 수증기는 냉각되어 대부분 비로 내리면서 원시 바다를 이루었다. (칼슘과 만나 대리석 등이 만들어졌다.)
- 이산화 탄소는 바닷물에 녹아 석회암으로 침전되면서 고체로 변하여 대기 중에는 그 양이 줄어들었다.
- 이후 광합성을 하는 원시 생물 때문에 대기 중의 이산화 탄소가 더욱 줄어들고 산소가 증가하여 오늘날과 같은 대기 구성을 이루게 되었다.
*마그마의 바다 - 초기의 지구는 미생성체들의 계속된 충돌 때문에 온도가 올라갔다. 지구를 구성하는 금속이나 암석에 포함된 일부 원소가 붕괴하며 방출하는 에너지도 지구의 온도를 높였다. 그 결과 지구 전체는 거의 녹아 있는 상태가 되었는데, 이러한 상태를 마그마의 바다라고 한다.
원소와 주기율
원소
- 원소들이 발견되던 초기, 원소는 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는 기본 성분을 뜻하였다. 그러나 원자의 구조가 명확히 밝혀진 이후 원소는 양성자수가 같은 입자로 이루어진 물질을 뜻하게 되었다.
멘델레예프의 주기율표
- 멘델레예프는 당시까지 발견되었던 60여 종의 원소들을 원자량(원자의 상대적인 질량) 순으로 배열하였으며, 일정한 간격을 주기로 성질이 비슷한 원소가 나타나는 것을 발견하였다.
- 발견되지 않은 원소의 자리를 비워두고, 그 원소의 성질을 예측하였다.
- 멘델레예프는 이런 주기적인 현상을 주기율이라고 하였으며 최초의 주기율표를 만들었다.
- 발견된 원소들이 많아짐에 따라 몇몇 원소들의 성질이 주기상에서 벗어나기도 했다.
원자번호
- 원자핵 속에 들어 있는 양성자 수와 같다. ( 원자번호 = 양성자 수 = 중성 원자의 전자 수 )
- 원자핵 속에 들어 있는 양성자 수에 따라 원소의 종류가 달라지므로 양성자 수로 원자 번호를 정한다.
주기율
- 원소들을 원자 번호순으로 배열할 때 비슷한 성질을 갖는 원소가 주기적으로 나타나는 현상
주기율표
- 원소들을 원자 번호순으로 배열하되, 비슷한 성질을 갖는 원소가 같은 세로줄에 오도록 배열한 표( 멘델레예프는 원자량을 기준으로 배열했지만, 현대의 주기율표는 원자 번호를 기준으로 배열한다. )
주기 - 주기율표의 가로줄로 1~7주기로 구성된다. ( = 전자 궤도의 수)
족 - 주기율표의 세로줄로 1~18족으로 구성되며, 같은 족 원소는 화학적 성질이 비슷하다. ( = 가장 바깥쪽 원자 수 )
금속과 비금속
| 구분 | 금속 원소 | 비금속 원소 |
| 주기율표에서의 위치 | 주기율표에서 왼쪽과 가운데 ( 단, 수소(H)는 제외 ) |
주기율표에서 오른쪽 |
| 실온에서의 상태 ( 실온 - 일년 동안 기온을 평균한 온도를 뜻하며, 20±5℃의 범위로 하는 경우가 많다.) |
고체 상태 ( 단, 수은(Hg)은 액체 ) |
기체, 고체 상태 ( 단, 브로민(Br)은 액체 ) |
| 힘을 가했을 때 | 얇게 펴지는 성질과 가늘고 길게 늘어나는 성질이 있다. | 얇게 펴지거나 가늘고 길게 늘어나는 성질이 없다. |
| 열과 전기의 전도성 | 열과 전기를 잘 통한다. | 열과 전기를 잘 통하지 않는다. |
| 예시 | 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 은(Ag), 철(Fe) 등 |
산소(O), 염소(Cl) 질소(N), 탄소(C), 황(S), 헬륨(He) 등 |
실온에서의 상태 예시
- 수은(금속) : 금속 중 유일하게 실온에서 액체 상태이다.
- 산소(비금속) : 숨 쉬는데 필요하며, 실온에서 기체 상태이다.
- 황(비금속) : 실온에서 고체 상태이다.
- 질소(비금속) : 실온에서 기체이지만 매우 낮은 온도(-196℃ 이하)에서 액체 상태이다.
힘을 가했을 때 예시
- 금(금속) : 얇게 펴거나 가늘게 만들 수 있어 옷의 장식에 쓰이기도 한다.
열과 전기의 전도성 예시
- 구리(금속) : 전기를 잘 통하는 성질이 있어서 전선에 쓰인다.
준금속 원소
- 주기율표에서 금속 원소와 비금속 원소의 경계에 있는 원소
- 금속 원소와 비금속 원소의 성질을 모두 갖고 있거나 중간 정도의 성질을 가지고 있다. (반도체)
ex. 규소(Si), 저마늄(Ge) 등
원자의 구조
- 원자의 중심에 양전하를 띠는 원자핵이 있고, 그 주위에 음전하를 띠는 전자가 움직이고 있다.
- 원자핵은 양전하를 띠는 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 이루어져 있다.
- 원자핵 속에 들어 있는 양성자의 수에 따라 원소의 종류가 달라진다.
( 수소 - 양성자 1개, 전자 1개 / 산소 - 양성자 8개, 중성자 8개, 전자 8개 / 나트륨 - 양성자 11개, 중성자 12개, 전자 11개 )
현대의 원자 모형 - 전자의 위치는 발견할 수 있는 확률만으로 표시하며, 주로 핵 주변의 특정 영역에 존재할 확률이 높다. 이를 그림으로 나타내면 구름처럼 보이므로 전자 구름 모형이라고 한다.
원자 모형과 전자 껍질
- 원자를 구성하는 입자와 수를 알기 쉽도록 원자 모형으로 나타낼 수 있다.
- 이때 원자핵은 중심에 있고 전자는 특정 에너지 준위를 갖니 전자 껍질을 돌고 있다.
( 수소 - 1주기 1족, 산소 - 2주기 16족, 나트륨 - 3주기 1족 )
*원자가 전자
- 원자의 ¹ 가장 바깥 전자 껍질에 있는 전자이면서, ²화학 결합에 참여하는 전자
- 원자가 전자는 화학결합에 관여하며 원소의 화학적 성질을 결정한다.
- 같은 족일 때 원자가 전자의 수가 같기 때문에 같은 족 원소는 화학적 성질이 비슷하다.
- 2~3주기 원자들은 1족에서 17족으로 갈수록 원자가 전자 수가 1씩 증가한다. 단, 18족 원소는 다른 원소와 결합하지 않기 때문에 원자가 전자 수를 0으로 한다.
( 2, 3, 13~17족은 불안정하므로 화학 결합을 하지만, 18족 원소는 완전하기 때문에 화학적 결합에 참여하지 않는다. )
알칼리 금속
- 주기율표의 1족 원소 중 수소(H)를 제외한 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등의 원소
( 물과 반응하면 알칼리성(염기성)을 띰 )
- 알칼리 금속은 원자가 전자 수가 1이며, 물과 활발하게 반응하는 공통점이 있다.
알칼리 금속의 반응 분석하기
- 주기(원자 번호)가 커질수록 물과의 반응이 더 커진다.
실험 시 유의점 확인하기
- 직접 실험을 할 경우에는 알칼리 금속의 크기가 쌀알 크기를 넘지 않도록 주의한다.
- 알칼리 금속과 물이 반응할 때 불꽃이 튀기도 하므로 반드시 보안경을 착용한다.
- 유독한 흰 연기(수소)가 발생하므로 환기에 주의한다.
- 남은 알칼리 금속은 반드시 수거하여 처리하고, 사용한 용액은 중화시켜 처리하거나 폐수 통에 모은 후 실험실 폐수 처리 절차에 따른다.
알칼리 금속의 성질
- 은백색 광택을 띄며, 다른 금속에 비해 가벼우며 칼로 쉽게 잘릴 정도로 무르다. ( 나무칼로도 잘림. )
- 물, 공기 중의 산소와 활발하게 반응하므로 접촉을 막기 위해 석유(기름)나 액체 파라핀(양초)에 넣어 보관한다.
- 물에 넣으면 격렬하게 반응하며 수소 기체를 발생하고, 수용액은 염기성을 띠게 된다.
- 페놀프탈레인 용액을 떨어뜨리면 붉은색으로 변한다.
( 2Na (나트륨) + 2H₂O (물) -> 2NaOH (수산화 나트륨 - 강염기성) + H₂↑ (수소) )
- 반응성이 크기 때문에 자연계에서 원소 상태보다는 이온이나 다른 원소와 결합한 상태로 존재한다.
( 리튬 이온 배터리 - 리튬 이온(Li+) / 소금 - 나트륨 이온(Na+) / 바나나 - 칼륨 이온(K+) )
- 같은 족에서 원자 번호가 클수록 반응성이 커진다. ( Li < Na < K )
- 반응성이 클수록 물, 공기와 빠르게 반응하여 화합물을 형성하기 쉽다.
할로젠
- 주기율표의 17족 원소이며, 원자가 전자 수는 7이다.
- 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)
| 원소 | 색깔 | 녹는점 ( ℃, 1기압 ) |
끓는 점 ( ℃, 1기압 ) |
실온에서의 상태 ( 25℃ ) |
수소와 결합한 물질의 성질 | |
| 플루오린 | 엷은 황색 | -219.7 | -188.1 | 기체 | HF는 물에 녹아 약한 산성을 띰. | |
| 염소 | 황록색 | -101.5 | -34.0 | 기체 | HCl은 물에 녹아 강한 산성을 띰. | |
| 브로민 | 적갈색 | -7.2 | 58.8 | 액체 | HBr은 물에 녹아 강한 산성을 띰. | |
| 아이오딘 | 흑자색 | 113.7 | 184.3 | 고체 | HI는 물에 녹아 강한 산성을 띰. | |
할로젠의 성질
- 비금속 원소이므로 전기나 열이 잘 통하지 않고, 실온에서 특유의 색을 띤다.
- 알칼리 금속이나 수소와 잘 반응하며, 수소와 결합한 할로젠화 수소는 모두 물에 녹아 산성을 띤다.
- 주기(원자번호) 높아질수록 색깔 진해지고, 녹는점과 끓는점이 높아지고, 산의 세기가 강해진다.
- 비금속 원소 중 반응성이 크기 때문에 자연계에서 원소 상태보다는 대부분 다른 원소와 결합한 상태로 존재한다.
( 형석 - 플루오린화 이온(F-) / 미역, 김, 다시마 - 아이오딘화 이온(I-) / 아이오딘 팅크, 포비돈 등 소독제 - 아이오딘(I₂), 아이오딘화 이온(I-) / 유리 공예(유리 부식시킬 때) 사용 - 플루오린화 수소(HF) )
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