Transcript 원자 방출 스펙트럼
제 4 장 전자배치 4.1 전자기복사선과 원자스펙트럼 원자스펙트럼 연속 스펙트럼(continuous spectrum): 태양광 등을 폭이 좁은 빛살로 만들어 분광 기를 통과시킬 때 나오는 스펙트럼처럼 끊기지 않고 연속된 스펙트럼(무지개 색). 선 스펙트럼(line spectrum): 특정기체나 금속의 증기에 전기 스파크나 아크를 가 할 때 나오는 것처럼폭이 좁은 몇 개의 선의 형태를 지니는 스펙트럼. 원자 방출 스펙트럼(atomic emission spectrum): 들뜬 에너지 상태의 원자로부터 방출되는 선 스펙트럼. 각 원소에 따라 방출되는 선의 위치가 다르므로 어떤 원소 인가를 찾아내는데 사용 가능. 4.1 전자기복사선과 원자스펙트럼 ◀ 백색광은 프리즘에 의해 연속 스펙트럼으 로 분산된다. 4.1 전자기복사선과 원자스펙트럼 그림 5-14(a) 원자 방출 (atomic emission)들뜬 수소 원자로 부터 방출된 빛은 프리즘을 통과하여 불연속적인 파장으로 분리된다.(b)원자흡수 (atomic absorption).백색광이 바닥상태의 수소 원자를 지나 슬릿과 프리즘을 통과하면 전달되빛은(a)의 방출파장에 해당하는 파장의 세기가감소된다 4.1 전자기복사선과 원자스펙트럼 (b) <물결파의 파장과 진동수에 대한 묘사> (a)와 (b)의 속도는 같고 따라서 (a)는 긴 파장의 낮은 진동수, (b)는 짧은 파장의 높은 진동수를 가진다. 4.1 전자기복사선과 원자스펙트럼 λν = 파의 속도 또는 λν = c λν = c = 3.00 × 108 m/s 4.1 전자기복사선과 원자스펙트럼 그림 5-12. (a) 프리즘에 의한 가시광선의 분산. (b) 가시광선은 전자기 복사 스펙트럼의 작은 영역에 불과하다. 4.2 원자의 구조와 Bohr이론 4.2 원자의 구조와 Bohr이론 광전효과. 충분히 높은 에너지의 빛이 금속 표 면(음극)을 때릴 때 그 표면에서 전자들이 방출된다. 4.3 물질의 파동 성질: 파동역학 하나의 원자궤도는 하나의 전자를 발견할 확률이 높은 공간 영역이다 • • • • 주양자 수 각운동 양자수 자기양자수 스핀 양자수 4.3 물질의 파동 성질: 파동역학 1. 주양자수(principle quantum number, n): n의 값이 클수록 평균에너지가 증가하고 오비탈의 크기를 결정한다. n은 1, 2, 3, 4, ...의 값을 지니며 각각 K, L, M, N,... 의 문자기호를 갖는다. 2. 각 운동량 양자수(angular momentum quantum number, l): 주 껍질을 구성하는 부 껍질(subshell) 혹은 부준위(sublevel)를 결정하는 양자수이며 이에 의해 오비탈의 모양과 어느 정도까지의 오비탈의 에너지를 결정한다. 주양자수 n에 대해 각 운동량 양자수는 0, 1, 2, 3, ..., n-1의 값을 지닐 수 있다. 예를 들어 n=4일 때 l=0, 1, 2, 3 의 값을 가지므로 결국 n값과 같은 개수의 부껍질을 갖는다. 부껍질의 문자기호는 l값 에 따라 각각 l = 0, 1, 2, 3, ... 일 때, s, p, d, f,...라 부른다. 3. 자기 양자수(magnetic quantum number, m): 부껍질을 구성하는 오비탈에 관련된 양 자수이며,오비탈의 배열을 결정한다. 같은 주양자수, 각 운동량 양자수를 지니면 같 은 에너지를 지니지만 공간배향이 다른데, 자기장속에서는 이 양자수에 의해 더 나누 어지므로 붙여진 이름이다. 주어진 방위양자수 l 에서 자기양자수 m은 -l과 +l사이의 정수값을 지닌다. 예를 들어 d (l=2) 부껍질은 ml이 -2, -1, 0, 1, 2의 5개의 .오비탈 로 구성된다. 4. 스핀 양자수(spin quantum number, s): 전자가 축을 중심으로 한 방향, 혹은 반대 방 향으로 회전하고 있는 것을 나타낸다. -1/2 혹은 1/2값만을 지닌다. 4.3 물질의 파동 성질: 파동역학 4.4 전자스핀과 Pauli의 배타 원리 Pauli의 배타원리: 4개의 양자수 값이 똑같은 전자는 한 원자에 2개이상 존사할 수 없다. 만약 어떤 한 오비탈에 해당하는 n, l, m값이 선택되었다 면 이 오비탈에는 스핀 양자수가 다른 두 전자만이 존재할 수 있다. 한 오비탈에 허용되는 전자의 수는 반대 스핀을 갖는 두 개이므로 각 부 껍질에 수용할 수 있는 전자의수는 다음 표와 같다. 4.5 원소의 전자배치 원자의 에너지 준위 수소원자의 경우는 주양자수 n에 의해 에너지가 결정되지만 그 외의 모든 원자 는 주양자수 n와 방위 양자수 l에 의해 에너지가 결정되고 그 순서는 다음과 같다. 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5s ··· 전자배치(electronic configuration): 전자구조(electronic structure) 라고도 하는데 원자의 오비탈에 전자가 분포되어 있는 형태를 표시한 것이다. 전자배치는 부껍질(subshell)의 에너지가 낮은 곳부터 차들어 간다. 내부전자(core electron): 전자배치 중 외부껍질 안쪽에 존재하는 전자 4.5 원소의 전자배치 내부전자(core electron): 전자배치 중 외부껍질 안쪽에 존재하는 전자 Hund 규칙(Hund's rule): 1개 이상의 오비탈을 가지는 부껍질에 전자 가 채워질 때 그들의 spin이 같은 방향으로 이용될 수 있는 동등한 에너 지를 갖는 오비탈에 먼저 한 개씩 들어간다. 질소의 2p3 electron은 px 에 2개 들어가고 py에 하나 들어갈 수 있으나 px, py, pz에 각각 하나씩 들어간다. 전자가 채워지는 순서는 에너지가 낮은 상태부터 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14....의 순서로 채워진다. 그러나 24Cr의 경우 통상적인 [Ar]3d44s2 형태보다 [Ar]3d54s1 의 상태가 안정하다. 마찬가지로 29Cu의 경우 전자배치는 [Ar]3d94s2이 아니라 [Ar]3d104s1가 된다. 4.5 원소의 전자배치 그림 5-28. 원자궤도를 채우는 일반적인 순서(Aufbau). 그림 5-29. 원자궤도를 채우는 일반적인 순서를 기억하는데 도움이 되는 그림. 4.6 원자 오비탈의 모양 양자역학에서 전자의 위치는 단지 어떤 위치에서 전자가 존재할 확률로 표시되 는데 이를 전자 밀도(electron density)라하고 이를 그림으로 표시하면 전자구 름(electron cloud)처럼 보인다. 공간에서의 원자오비탈의 모양을 전하밀도로 나타내면 각기 다른 모양을 지닌다. s 오비탈의 모양: 어느 특정한 위치든지 전자밀도는 방향에 관계없이 핵에서의 거리에만 의존하는 구형의 오비탈이다. 1s오비탈과 비교할 때 2s오비탈은 마 디(node: 파동의 세기가 0이되는 영역)를 지닌다. 3s는 2개, 4s는 3개의 마디 를 지닌다. p 오비탈의 모양: 원자의 중심을 통과하는 직선의 양쪽 축을 따라 동등한 크기 를 잦는 2개로 전자밀도가 분포-일정한 배향성을 지니다.(특정 방향에 대한 반응성에 영향) p 부껍질은 3개의 오비탈을 지니는데 각각 x, y, z축을 따라 전 자 발견 확률이 최대이기 때문에 각 오비탈을 구분하여 px, py, pz로 표시한다. d 오비탈의 모양: dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2의 5개 오비탈로 구성되는데 모 양이 각기 다르다. 4.5 원소의 전자배치 < 핵 주위를 감싸고 있는 전자구름> 전자밀도는 핵에서부터의 거리가 멀어짐에 따라 급격히 감소한다. 4.5 원소의 전자배치 < s 궤도들에 해당하는 전자분포의 도시> 4.5 원소의 전자배치 <s 궤도의 모양> <p 궤도의 모양을 보여주는 세 가지 표현> 4.5 원소의 전자배치 (a) p 궤도 짝들의 상대적 방향성. (b) 3개의 p 궤도(px, py 그리고 pz)를 하나의 짝으로 표시한 모델. 4.5 원소의 전자배치 <d 궤도들의 공간 배향> 4.5 원소의 전자배치 한개의 전자가 ms =+1/2을 가지면 다른 한 개의 전자는 ms=-1/2을 가짐 < 원자에서 각 궤도의 모양과 상대적인 크기> < 전자스핀> 전자들은 그들의 중심을 통과하는 축으로 회전하는 것처럼 행동한다. 4.7 원자구조에 따른 성질의 변화 원자반지름 크다←―――――――――――→작다 H 작다 ↑ ↓ 크다 He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca 4.7 원자구조에 따른 성질의 변화 유효핵전하 원자핵의양전하가클수록 외각에 있는 전자는 원자의 중심으로 더끌린다. 그러나많은 전자를 갖는 원자에서 외부전자가 느끼는 양전하는 전체 핵전하 보다 항상 작다. 이는 원자핵의 양전하가 외부전자에 미치는 정전기적 인력이 외부껍질과 핵 사이에 있는 전자에 의해 가로막기(shielding)를 받아 내부껍질의 음전하는 원 자핵의 양전하를 부분적으로 상쇄되는데, 상쇄되고 남은 외부껍질 전자에 미치 는 전체 잔류 전하를 유효핵전하(effective nuclear charge)라 한다. 4.7 원자구조에 따른 성질의 변화 이온의 크기 양성자의 수가 같을 때, 전자들이 많을수록 전자 반발력이 커지고 전자들이 보다 큰 공간을 차 지하게 되며 따라서 원자크기나 이온크기가 커진다. 전자의 수가 같을 때 (isoelectronic), 양성자의 수가 많으면 핵에서의 양전하가 커 지고 전자를 잡아당기는 인력이 커지므로 원자나 이온의 크기가 작아진다. 일반적으로 양이온들은 중성원자보다 작고 반면에 음이온들은 중성원자보다 크다 4.7 원자구조에 따른 성질의 변화 이온화 에너지 (ionization energy): 기체상의 양이온을 생성하기 위하여 기체상태의 원자로부터 전자 하나를 제거하는데 필요한 에너지 4.7 원자구조에 따른 성질의 변화 전자친화도 (electron affinity): 기체 원자에 전자 한 개가 첨가되어 기 체상의 음이온을 형성할 때 방출되는 에너지 (방출할 때 +, 만일 에너 지를 필요로 하면 - 부호) ∙그러나 비활성 기체는 전자를 줘도 안먹는다. → 전자 친화도가 없다. ∙할로겐에서 전자 친화도는 Cl>F>Br>I cf. 전기 음성도는 F>Cl>Br>I 4.8 이온성 화합물의 결합 4.9 Lewis 기호 4.10 공유결합 ♥ H2 분자를 예를 들때, H와 H의 결합(H-H)에서 2개의 수소원자가 서로 가까워 지면 그들 사이에는 정전기 상호작용이 일어난다. ♥ 2개의 양(+)으로 하전된 핵은 서로 반발하고 또한 2개의 음(-)으로 하전된 전자도 반발하나, 각각의 양성자는 2개의 전자를, 각각의 전자는 두 개의 양성자를 끌어당긴다. ♥ 끌어당기는 힘 즉, 인력이 반발력보다 강하면 2개의 수소원자들은 일정거리를 유지하면서 공유결합을 이룬다 ♥ 공유결합을 이룰 때 양성자와 전자들 사이에 작용하는 인력과 반발력의 크기는 2개의 원자가 얼마나 서로 가까이 접근하느냐에 달려있다. 공유결합은 정전기인력과 반발력의 결과로 형성된다. 4.10 공유결합 ♥ 너무 멀리 떨어져 있으면 인력은 작아져서 결합이 이루어지지 않으며, 너무 가까이 접근하면 두 핵사이의 반발력이 강해져서 2개의 원자를 서로 멀리 떨어 져 있게 한다. ♥ 두 핵간의 최적거리를 결합길이(bond length)라 부른다. 4.11 결합차수와 몇가지 결합의 성질 4.12 공명 ♥ 분자의 Lewis 구조를 두 개 이상 쓸 수 있는 가능성이 있을 때는 언제나 실제의 전자구조로 가능성이 있는 구조들의 평균으로 한다. 이를 공명혼성체(resonance hybrid)라 부른다. ♥ 2개 또는 그 이상의 Lewis 구조간의 공명개념을 표시하기 위하여 각각의 Lewis 구조를 쓰고 그들이 공명혼성체에 기여함을 보이도록 이중 화살인 공명화살(↔)을 사용한다. ♥ 직선의 이중화살은 항상 공명(resonance)을 의미한다. Ex)O3 Ex)N2O 4.13 배위공유결합 4.14 극성분자와 전기음성도 쌍극자 dipole +극성과 –극성을 갖고 있는 결합 쌍극자 모멘트 dipole moment 쌍극자에 작용하는 정전기적 힘 Dipole moment = charge (esu) ☓ distance (cm) μ = e ☓ d (1 debye = 1 x 10-18 esu cm ) (positive end) (negative end) H− Cl 4.14 극성분자와 전기음성도 쌍극자 모멘트 dipole moment Formula μ (D) Formula μ (D) H2 0 CH4 0 Cl2 0 CH4Cl 1.87 HF 1.91 CH2Cl2 1.55 HCl 1.08 CHCl3 1.02 HBr 0.80 CCl4 0 HI 0.42 NH3 1.47 BF3 0 NF3 0.24 CO2 0 H2O 1.85 4.14 극성분자와 전기음성도 극성작용기 polar bonds d+ d- d+ d- C O C N d+ d+ d- O H d- C C d- d+ N H d+ Li d- d+ d- F d- C O d+ C Na d+ d- C Cl d+ d- C N