2. 원자와 분자
1) 원자: 돌턴의 원자설, 기체반응의 법칙과 원자설
2) 분자: 기체반응의 법칙과 분자설, 분자모형과 분자식
1) 원자: 물질을 구성하는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 알갱이 즉, 입자.
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원소와 원자 | ||
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구분 |
원소 |
원자 |
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성질 |
더 이상 분해되지 않는 물질을 구성하는 기본성분 |
물질을 구성하는 가장 작은 알갱이(입자) |
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예 |
수소, 산소 |
수소입자, 산소입자 |
1-1)돌턴의 원자설(1803)
ㄱ) 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 이루어져 있다.
ㄴ) 같은 종류의 원자는 크기와 질량이 같고, 다른 종류의 원자는 크기와 질량이 다르다.
ㄷ) 화학반응이 일어날 때 원자는 없어지거나 새로 생기지 않으며,
다른 종류의 원자로 변하지 않는다. ⇒ 질량보존의 법칙과 관련
ㄹ) 원자들이 일정한 비율(개수비)로 결합하여 화합물이 생성된다.
⇒ 일정성분비의 법칙과 관련
※ 돌턴이 원자설을 만든 이유
실험적으로 입증한 (라부아지에가 1772년에 만든) 질량보존의 법칙과
(프루스트가 1799년에 만든) 일정성분 비의 법칙을 이론적으로 설명하기 위해서...
※ 질량보존의 법칙: 어떤 변화(화학반응)가 일어날 때 변화(반응)가 일어나기 전 물질의
총 질량과 변화(반응)가 일어난 후 생성된 물질의 총질량은 서로 같다.
(반응 전 물질의 총 질량 = 반응 후 물질의 총 질량)
※ 일정성분비의 법칙: 같은 화합물에서 각 성분 물질은 일정한 질량비를 갖는다.
※ 오늘날 돌턴의 원자설 중에 일부가 수정되었다. 돌턴의 원자설 중 ‘원자는 더 이상 쪼갤 수
없다.’는 설은 핵분열 반응의 발견으로 원자가 쪼개진다는 새로운 사실로 수정되며, ‘원자의 종류
가 같으면 크기와 질량이 같다.’는 설은 같은 원자라도 질량이 서로 다른 동위 원소의 발견으로
수정되어야 한다. 그러나 원자설의 가치가 근본적으로 허물어진 것은 아니다.
※ 원자모형:
1-2) 기체반응의 법칙과 원자설(원자모형) (참고서 그림 p124)
돌턴의 원자설로 기체반응의 법칙을 설명할 수 없다.
즉, 원자는 쪼개질 수 없으므로 돌턴의 원자설과 기체반응은 법칙은 어긋남.
2) 분자: 물질의 고유한 성질을 가지고 있는 가장 작은 입자로, 몇 개의 원자들이 결합되어
이루어지며, 쪼개지면 물질의 성질을 잃는다.
※ 원자: 물질을 구성하는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 알갱이 즉, 입자.
2-1) 기체반응의 법칙과 분자설
ㄱ) 기체반응의 법칙(게이 뤼삭, 1808):
온도와 압력이 일정할 때 반응하는 기체와 생성되는 기체의 부피사이에는 간단한 ‘정수비’가
성립한다.(아보가드로의 법칙 참고)
예1) 물의 합성 반응의 부피 모형 : 물의 분해나 합성 반응에서 수소 기체나 산소 기체의 부피 비는
항상 2 : 1이다. 따라서 물의 합성 반응에서의 부피 관계를 모형으로 나타내면 다음 그림과
같다.
예2) 암모니아가 생성될 때의 부피 관계 : 질소 1부피와 수소 3부피가 반응하면 암모니아 2부피가
생성된다. 즉, 반응하는 질소와 수소 및 생성되는 암모니아의 부피 비는 1 : 3 : 2의 간단한
정수비가 된다.
ㄴ) 아보가드로의 분자설
a) 기체는 몇 개의 원자가 결합하여 분자로 되어있다.
b) 아보가드로의 법칙: 같은 온도, 같은 압력에서 모든 기체는 같은 부피 속에서 같은 수의
분자를 가진다.
기체 반응의 법칙과 분자 모형: 수소 기체와 산소 기체가 2개의 원자로 구성되어 있다고 가정하면, 아보가드로의 법칙을 써서 수소와 산소가 반응하여 수증기가 생성될 때의 반응 모형을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
위의 반응 모형을 사용하면 다음의 법칙들을 잘 설명할 수 있다.
(1) 원자는 더 이상 쪼갤 수 없다는 원자 모형에 어긋나지 않는다.
(2) 수소와 산소 및 수증기의 부피비가 2 : 1 : 2이므로, 기체 반응의 법칙이
설명된다.
(3) 반응 전후의 각 원소의 원자 수가 같으므로, 질량 보존의 법칙이 성립된다.
(4) 수소 2원자와 산소 1원자가 결합하여 수증기 1분자가 되므로, 일정 성분비의 법칙이
성립된다.
이와 같이, 분자 모형과 아보가드로의 가설을 이용하면 기체들이 관여하는 화학 반응에서 기체 반응의 법칙은 물론 질량 보존의 법칙과 일정 성분비의 법칙을 설명할 수 있다.
2-2) 분자모형과 분자식
ㄱ) 분자모형: 원자 모형을 이용하여 분자를 구성하는 ‘원자의 종류와 수, 배열상태’를
나타낸 것.
예)
· 수소 분자 : 수소 원자 2개
· 산소 분자 : 산소 원자 2개
· 물 분자 : 수소 원자 2개+산소 원자 1개
· 이산화탄소 분자 : 탄소 원자 1개+산소 원자 2개
· 암모니아 분자 : 질소 원자 1개+수소 원자 3개
ㄴ) 분자식: 분자를 구성하는 원자의 종류와 수를 원소기호와 숫자를 이용하여 나타낸 식.
분자식을 통해 분자를 이루는 원자의 종류와 수, 분자의 종류와 수는 알 수 있으나
분자의 모양이나 크기 등은 알 수 없다.
ㄷ) 분자식으로 나타낼 수 없는 물질(참고서 p126) ⇒ 화학식으로는 나타낼 수 있다.
※ 핵심내용: 돌턴의 원자설, 기체반응의 법칙과 원자설, 기체반응의 법칙과 분자설
<문제유형>
유형1. 돌턴의 원자설 - 오늘날의 이론과 혼돈하지 말 것! (참고서 문제 p129-2,5)
유형2. 수소와 산소가 반응하는 수증기 생성반응 (참/문 p128 c-2, p134-18, 21)
유형3. 분자식 설명 - 참/문 p130-13, 15, 27)