원자 구조와 주기율표

여과지는 모래를 염수 용액으로부터 분리할 수 있지만, 소금 결정 내의 나트륨과 염소를 분리할 수는 없습니다. 이는 화학 결합의 차이입니다. 이 주제는 물질의 입자를 분리와 원자 모델, 그리고 반응 패턴과 연결합니다.

제공된 주기율표를 사용하여 원소를 식별하십시오. 방정식을 평형 맞추기 전에 원자 수를 세고, 원소를 식별하기 전에 양성자 수를 세십시오. 하이퍼 티어(Higher Tier) 이온/반응식 및 화학전용 전이 금속 내용은 아래에 표시되어 있습니다.

원자(atom) 는 존재할 수 있는 원소(element) 의 가장 작은 단위입니다. 원소는 양성자 번호가 동일한 원자로 구성됩니다. 헬륨과 같이 단일 원자로 존재하거나, O₂와 같은 분자로 존재할 수 있습니다. O₂은 두 개의 원자를 포함하지만 하나의 원소만 포함합니다.

화합물(compound) 는 고정된 비율로 화학적으로 결합된 두 개 이상의 원소를 포함합니다. H₂O는 항상 산소 원자 하나당 수소 원자가 두 개씩 포함되어 있습니다. 화합물은 그 원소들과 다른 성질을 가지며, 화학 반응에 의해 원소로 분리될 수 있습니다. 화학 반응(chemical reaction) 은 하나 이상의 새로운 물질을 생성하며, 종종 감지 가능한 에너지 변화를 동반합니다.

이름과 올바른 대문자 표기법을 숙지하십시오: Co는 코발트(cobalt)를 의미하며, CO는 일산화탄소(carbon monoxide)입니다. 이 과정에서는 첫 20개 원소, 그룹 1 및 7, 그리고 기타 명명된 원소를 사용합니다. 첫 20개 원소는 다음과 같습니다:

Formulae give composition: MgCl₂ is magnesium chloride; Na₂O is sodium oxide. A word equation names reactants and products: magnesium + oxygen → magnesium oxide. A symbol equation uses their formulae.

풀이 방법 — 평형 맞추기: Mg + O₂ → MgO 로 시작합니다. 왼쪽에 산소 원자 2개, 오른쪽에 1개가 있습니다. MgO 앞에 2을, Mg 앞에 2을 붙이면: 2Mg + O₂ → 2MgO. 확인: Mg는 2 = 2; O는 2 = 2. 물질의 화학식 내 아래첨자를 변경하지 말고 전체 입자 계수만 변경하십시오. MgO₂은 다른 화학식이 됩니다. H₂O 분자 3개는 수소 원자 6개와 산소 원자 3개를 포함합니다.

고급 수준 — 원자뿐만 아니라 전하: 아연은 전자 2개를 잃어 Zn²⁺을 형성합니다: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. 양변의 총 전하는 모두 0입니다. 구리 이온은 전자 2개를 얻습니다: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. 반쪽 방정식을 더하면 전자가 상쇄되어: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. 용액 내에 존재하여 변하지 않은 황산 이온은 관관 이온(spectator ions)으로 생략합니다. 상쇄 후 원자와 총 전하를 확인하십시오. 변화하는 종은 상쇄하지 마십시오.

혼합물(mixture) 은 화학적으로 결합되지 않은 물질들을 포함합니다. 각 성분은 화학적 성질을 유지합니다. 물리적 분리는 새로운 물질을 만들지 않으므로, 구성 요소의 특성과 필요하는 제품을 바탕으로 방법을 선택하십시오.

Worked method — pure, dry salt from sand, salt and water: Remaining salt이 완전히 녹도록 저어줍니다. 여과하여 모래를 종이 위에 남기고 염화나트륨 용액은 통과하게 합니다. 여과액을 부드럽게 가열하여 물을 증발시키고, 냉각하여 결정을 형성합니다. 결정을 여과하고 여과지 사이에 말려내십시오. 모래를 소량의 물로 세척하면 함께 갇혀 있는 염화나트륨 용액을 회수할 수 있습니다. 여과만으로 용해된 염화나트륨을 수집할 수는 없습니다.

Distillation은 증발 후 응축을 통해 액체를 회수하는 과정입니다.

Worked choice — recover the water instead: use simple distillation. Heat the salt solution; water vapour leaves the flask, cools in a condenser and collects as liquid water. Evaporation without collecting the vapour loses the desired product. Choose fractional distillation for two miscible liquids; a filter cannot separate them. For chromatography, keep the pencil start line above the solvent so the sample moves up the stationary material instead of dissolving directly into the solvent reservoir.

과학적 모델은 증거를 설명하는 표현입니다. 새로운 관찰은 이를 변경하거나 대체할 수 있습니다. 초기 원자는 작고 쪼개지지 않는 구체였습니다. 음전하 전자의 발견은 내부 구조를 요구하여 plum pudding model을 제공했습니다: 양전하가 퍼져 있는 공 안에 전자가 박혀 있는 형태입니다.

알파 산란 실험에서 대부분의 양전하 알파 입자는 얇은 금속박을 통과했으나, 일부는 편향되었고 매우 드물게 반사되었습니다. 이러한 관측 결과는 서로 다른 결론을 지지합니다:

원자핵 모델은 퍼져 있는 양전하 대신 작고 양전하를 띤 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 대체되었다. 보르는 관측 결과와 일치하게 전자가 특정 거리/에너지 준위에 위치한다고 제안했다. 이후 연구에서 양성자가 원자핵의 양전하 단위임을 확인했다. 채드윅의 증거는 원자핵 모델이 인정된 지 약 20년 만에 중성자가 원자핵 내에 존재함을 입증했다. 보르/채드윅 실험 장치는 상세히 알 필요 없다.

해설: “일부 입자가 튕겨 나왔으므로 원자 전체가solid(단단)하다”라는 주장은 대부분의 입자가 통과했다는 관측 사실과 모순된다. 종합된 증거는 거의 빈 공간에 작은 밀도 높은 원자핵이 있음을 요구한다. 모델은 한 개의 선택된 관측 결과가 아닌 전체 패턴을 설명해야 한다.

원자 번호 Z는 양성자 수이며 원소를 식별한다. 해당 원소의 모든 원자는 같은 Z를 가진다. 질량 수 A는 양성자 + 중성자이다. 중성 원자는 양성자와 전자 수가 같아 전하 상쇄가 일어난다. 이온은 전자 수 변경으로 형성되며, 양성자 수를 변경하면 원소 자체가 바뀐다.

해설된 입자 세기: 염소-37 원자의 Z = 17이다. 양성자 = 17; 중성자 = 37 − 17 = 20; 전자 = 17. Cl⁻은 전자 하나를 얻어 18개의 전자를 가지며, 양성자/중성자는 여전히 17/20이다. 칼슘-40의 경우, Z = 20: Ca²⁺은 20개의 양성자, 20개의 중성자, 18개의 전자를 가진다.

동위원소는 동일한 원소이지만 중성자 수가 다른 원자들이다. 염소-35과 염소-37은 모두 17개의 양성자를 가지지만, 각각 18과 20개의 중성자를 가진다. 그들은 여전히 염소이며, 다른 질량 수는 다른 원소를 의미하지 않는다.

Typical atom radius is about 0.1 nm = 1 × 10⁻¹⁰ m; 1 nm = 10⁻⁹ m. Nucleus radius is less than one ten-thousandth of the atom's radius, of order 10⁻¹⁴ m. Almost all mass is in the nucleus. These are approximate scales, not exact dimensions of every atom.

Worked scale: if an atom's radius were enlarged to 1 m, a nucleus one ten-thousandth as large would have radius 1/10 000 m = 0.0001 m = 0.1 mm. The actual specified nucleus is smaller than that ratio. Compare radius with radius; an atom's diameter is twice its radius. Atoms of diameter about 2 × 10⁻¹⁰ m would number about 5 × 10⁶ along a 1 mm line, ignoring gaps: (1 × 10⁻³)/(2 × 10⁻¹⁰).

상대 원자 질량 Ar은 풍부도를 가중치로 한 평균값이며 단위가 없다. 정수가 아닐 수도 있다. 가중치지 않은 평균이 아닌 백분율 풍부도를 사용하라:

해설된 평균: 75%의 염소-35과 25%의 염소-37은 (35 × 75 + 37 × 25)/100 = (2625 + 925)/100 = 35.5를 준다. 이는 35에 더 가까운데, 그 동위원소가 더 풍부하기 때문이다. 이는 35과 37 사이에 위치한다. 단일 원자에 “35.5개의 중성자”나 질량수 35.5은 존재하지 않는다.

외각 전자기는 원자에서 가장 높은 점유 껍질에 있어 반응성을 결정하는 데 기여한다.

전자는 가능한 가장 낮은 에너지 준위부터 채운다. 첫 20개의 중성 원자의 경우 GCSE 껍질 모델을 사용하라: 첫 번째 껍질은 최대 2, 두 번째는 최대 8, 그리고 네 번째가 시작되기 전에 8을 채운다. 이는 모든 원소에 적용되는 보편적 규칙이 아니라 필요한 제한된 모델이다.

해설된 배치: 칼슘은 Z = 20이므로 따라서 20개의 전자를 가진다. 첫 번째 껍질에 2, 두 번째 껍질에 8, 세 번째 껍질에 8, 네 번째 껍질에 2을 배치하여: 2,8,8,2. 도표는 이 네 껍질과 동일한 총 전자 수를 보여야 한다. 염소는 2,8,7이며, 세 개의 점유 껍질과 일곱 개의 외각 전자를 가진다.

The modern periodic table orders elements by proton number. A period is a row; the number of occupied shells gives the period. A group is a column containing elements with related chemical properties. For main Groups 1–7, the group number gives the outer-electron number. Group 0 has a full outer shell: helium has two electrons, while the other noble gases in this model have eight. This exception prevents treating every group member as having identical electron counts.

Worked prediction: an unknown first-twenty element has 2,8,1. It has 11 electrons/protons, so it is sodium, in Period 3 and Group 1. Its single outer electron helps predict formation of a +1 ion and reactions similar to lithium/potassium. An element with 2,8,7 instead tends to gain one electron in ionic reactions. Position supports predictions; it does not replace reaction evidence.

Early tables used increasing atomic weight before subatomic particles were known. They were incomplete and strict mass ordering put some elements with unlike neighbours. Mendeleev left gaps for undiscovered elements and sometimes changed mass order to keep similar properties together. He predicted properties of missing elements; later discoveries matching those predictions supported his arrangement. Isotope knowledge explained why average atomic-weight order did not always match element identity. Modern ordering uses proton number.

계산된 증거 판단: 예측된 성질을 가진 원소가 빈칸에서 발견되는 것은 단순히 새로운 원소를 찾는 것보다 주기율표를 더 강력하게 지지합니다. 예측이 실패한다면 배열을 검토해야 합니다. 빈칸을 두는 것은 자체적으로 증명되는 것이 아니라 검증 가능한 제안이었습니다.

Metals, mainly towards the left/bottom, form positive ions in reactions by losing electrons. Non-metals, mainly towards the right/top, do not characteristically form positive ions; they may gain electrons or share them in covalent bonds. Most elements are metals. Metals typically conduct heat/electricity, are shiny and can be bent or shaped; solid non-metals are often brittle and poor conductors. These are characteristic patterns with exceptions, such as conducting graphite, not definitions without exceptions.

Noble gases are unreactive and do not easily form molecules because their atoms have stable full outer shells. They are monatomic. Their boiling points rise down Group 0 as relative atomic mass increases. Use supplied trend data to predict an intermediate value or whether a later member boils higher; do not claim exact values without data.

알칼리 금속(Alkali metals) 은 족 1에 위치하며 최외각 전자가 하나 있고 +1 이온을 형성합니다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 산소와 반응하여 산화물을, 염소와 반응하여 염화물을, 물과 반응하여 금속 수산화물과 수소(gas)를 만듭니다. 학교 모델에서, 4Li + O₂ → 2Li₂O; 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂. 모든 조건에서 모든 산소 생성물이 동일한 식을 가지는 것으로 가정하지 마십시오; 평형 맞추기에는 제공된 식을 사용하십시오.

물과의 반응에서 리튬은 거품이 발생하며 천천히 움직이고, 나트륨은 더 빠르게 반응하여 자주로 이동하는 구 형태로 녹기도 하며, 칼륨은 더욱 격렬하게 반응하여 보라색 불꽃을 내며 발화할 수 있습니다.NONE of these are observations from supervised demonstrations. Reactivity rises down the group: more occupied shells place the outer electron farther from the nucleus with more shielding, so it is lost more easily despite greater nuclear charge.

할로겐은 7족에 속하며 외부 전자 7개를 가지고 이원자 분자를 형성합니다: Cl₂, Br₂ 및 I₂. 상온에서 염소는 연한 녹색 기체, 브롬은 적갈색 액체, 요오드는 회흑색 고체입니다. 족을 내려갈수록 상대 분자 질량, 융점 및 끓는점이 상승합니다. 반응성은 감소하는데, 외부 영역이 원자핵으로부터 더 멀어지고 차폐가 증가하여 유입되는 전자의 인력이 약해지기 때문입니다.

Halogens form ionic halides with metals, such as NaCl, and covalent compounds with non-metals, such as HCl. Do not say all halogen compounds contain ionic bonds. Displacement occurs when a more reactive halogen replaces a less reactive one in an aqueous halide solution.

작업 예시 치환 반응: 염소를 브로마륨칼륨에 첨가하면 브롬이 생성되어 주황/갈색 용액을 얻습니다: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. 염소는 브로마이드 이온으로부터 전자를 얻습니다. 브롬은 반응성이 낮아 클로라이드 이온을 치환하지 못합니다. 따라서 '반응 없음' 결과는 반응성 순위를 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다. 고급 수준: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻; 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻; 전체 반응 Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂. 원자와 전하량은 보존됩니다.

크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈 및 구리를 전이 금속의 예시로 사용하십시오. Group 1 금속과 비교할 때 일반적으로 융점과 밀도가 높고 강도/경도가 크며 산소, 물 및 할로겐과의 반응성이 낮습니다. 나트륨처럼 구리는 찬물과 반응하지 않습니다. 모든 금속이 동일한 방식으로 행동한다고 가정하기보다 명시된 예시와 조건을 비교하십시오.

많은 전이 원소는 서로 다른 전하를 가진 이온과 색을 띤 화합물을 형성하며, 촉매로 작용합니다. 철은 Fe²⁺와 Fe³⁺를 형성하며, 수용성 철(II) 염은 연한 녹색이고 철(III) 염은 노란색/갈색입니다. 수용성 구리(II) 염은 보통 파란색을 띱니다. 색은 화합물이나 조건에 따라 달라지므로, 모든 화합물이 고정된 색을 가지는 것은 아닙니다. 철은 하버 공정 촉매이며, 니켈은 수소화 반응 촉매로 작용합니다. 이러한 예시는 일반적인 성질을 보여줄 뿐, 모든 전이 화합물의 성질을 나타내는 것은 아닙니다.

공식 문제 풀이 링크: 황산염은 SO₄²⁻입니다. Fe²⁺는 FeSO₄를 이루며, Fe³⁺는 철 이온 2개와 황산염 이온 3개가 결합하여 Fe₂(SO₄)₃을 만듭니다. 두 화합물 모두 전하의 총합은 0입니다. 동일한 세 가지 원소 이름이라도 비율이나 철의 전하가 다르면 서로 다른 화합물이 됩니다.

• 구성 요소의 성질과 필요한 생성물에 따라 분리 방법을 선택하고, 각 단계에서 일어나는 현상을 설명하십시오.
• 시간선만 암기하기보다 알파 산란 관찰 결과를 핵 모델과 연결하여 이해하십시오.
• 원자와 이온 속 입자의 개수를 세고, 가중 평균을 계산하며, 반지름, 지름 및 축척의 차이를 구분하십시오.
• 전자 배치를 숫자 표기와 껍질 도표로 표현한 후, 주기율표에서의 위치를 예측하십시오.
• 증거를 바탕으로족의 경향과 치환 반응을 설명하고, 명명된 전이 금속의 성질을 Group 1와 비교하십시오.