결합, 구조 및 물질의 성질

• 원자 또는 이온을 결합하는 세 가지 유형의 강한 화학 결합이 있습니다: 이온 결합(서로 다른 전하를 가진 이온 간의 인력), 공유 결합(공유 전자 쌍), 금속 결합(비국소화된 전자).
• 결합 형태가 구조를 결정합니다: 거대한 이온 격자, 작은 분자, 고분자, 거대한 공유 결합 네트워크 및 금속 격자가 있으며, 각각 녹점과 전기 전도도를 예측할 수 있습니다.
• 탄소는 다양한 특성을 보입니다: 다이아몬드, 그래파이트, 그래핀, 풀러렌; 나노 입자(화학 분야 전용)는 표면적을 물성으로 전환합니다.

세 가지 강력한 화학 결합은 모두 정전기적 힘으로 설명됩니다:

• Ionic — the bond is electrostatic attraction between oppositely charged ions. During formation, a metal atom transfers outer electrons to a non-metal: metal atoms lose electrons to become positive ions; non-metal atoms gain them to become negative ions; Groups 1/2 metals and 6/7 non-metals form ions with noble-gas electronic structures. Draw the electron transfer with dot and cross diagrams; deduce ion charges from group number (Group 1 → +1, Group 2 → +2, Group 6 → −2, Group 7 → −1).
• Covalent — non-metal atoms share pairs of electrons. Know dot-and-cross diagrams for H₂, Cl₂, O₂, N₂, HCl, H₂O, NH₃, CH₄, and line representations for small molecules, polymer repeating units and giant covalent structures.
• 금속 결합 — 양전하를 띤 금속 이온이 규칙적으로 배열된 거대한 구조로, 비국소화된 바깥쪽 전자가 전체 구조를 자유롭게 이동하며, 이러한 전자들의 공유가 강력한 금속 결합을 형성합니다.

모형의 한계를 알십시오: 점교차선, 볼-스틱, 2D 및 3D 도식은 모두 단순화되어 있습니다—힘은 그려지지 않으며, 스틱은 접촉하는 입자 사이에 간극이 있음을 시사하고, 평면 도식은 3D 배치를 완전히 나타내지 않으며, 거대 구조는 조각만 표시됩니다. 격자 모형에서 실험식(empirical formulae)을, 분자 도식에서 분자식(molecular formulae)을 추론하십시오.

전자 도표를 그린 후 확인하십시오

작은 분자의 경우 각 원자의 외부 전자를 모두 더하십시오. 수소 주위에 전자가 2개, 기타 명시된 원자 주위에 전자가 8개 있도록 공유 쌍을 선택하십시오. 남은 전자는 비결합 전자(lone pairs) 로 추가하십시오. 점과 교차선은 전자가 어디에서 왔음을 기록하며, 전자 자체는 동일합니다. 단일 결합은 2개의 전자를 공유하고, 이중 결합은 4개, 삼중 결합은 6개를 공유합니다.

해설 방법: 물. 산소는 바깥 껍질 전자 6개를 제공하고 두 수소 원자는 각각 1개를 제공하여 총 8개가 됩니다. 두 개의 공유된 O–H 쌍은 전자 4개를 사용합니다. 나머지 4개는 산소에 있는 두 쌍의 비공유 전자가 됩니다. 각 수소 원자 주변에는 전자 2개가 있고, 산소에는 전자 8개가 있습니다. 평면 전자 도식만으로는 분자의 3D 형태를 결정할 수 없습니다.

해설 방법: 염화 마그네슘. Mg는 2,8,2에서 시작하여 전자 2개를 잃고, 전자 배치 2,8을 가진 Mg²⁺가 됩니다. 두 chlorine 원자는 각각 2,8,7에서 시작하여 전자 1개를 얻어, 전자 배치 2,8,8를 가진 두 개의 Cl⁻ 이온이 됩니다. 모든 이온 주위에 괄호와 전하를 표시하십시오. 각 염화 이온은 원래 전자 7개와 얻은 전자 1개를 가집니다. 바깥 껍질 전자 도식은 Mg의 이전 세 번째 껍질이 빈 채로 보일 수 있으나, 이는 이온에 전자가 전혀 없다는 뜻이 아닙니다.

수식은 전하 균형을 따릅니다: 하나의 Mg²⁺에는 두 개의 Cl⁻ 이온이 필요하므로 MgCl₂입니다. 6개의 양이온마다 12개의 음이온이 있는 격자 조각의 가장 간단한 비율은 1:2입니다. Mg₆Cl₁₂를 개별 분자의 수식으로 읽지 마십시오: 이온 구조는 거대합니다. 그림의 유한한 가장자리도 겉보기 개수를 왜곡할 수 있으므로 반복 패턴과 전하를 사용하십시오.

선 표현은 각 공유된 쌍을 선 하나로 대체합니다. 물은 H–O–H, 산소는 O=O, 질소는 N≡N입니다. 이러한 선식에서는 비공유 전자를 생략합니다. 고분자에서는 대괄호로 묶인 반복 단위가 매우 긴 공유 결합 사슬의 작은 부분을 나타내며, 연동 결합이 대괄호를 가로지릅니다. 거대 공유 결합 도식에서는 개별 분자에서 멈추는 것이 아니라 네트워크 내에서 결합이 연장됩니다.

물질의 상태: 고체, 액체, 기체; 융점에서의 융해/동결, 끓는점에서의 끓음/응축. 입자 이론(작은 고체 구체)은 이러한 변화를 설명하며, 입자 사이의 힘이 강할수록 융점/끓는점이 높습니다. (HT) 간단한 모형의 한계: 힘 표시 없음, 모든 구체, 고체 입자. 상태 기호: (s), (l), (g), (aq).

더 큰 분자 → 더 강한 분자간 힘 → 높은 융점/끓는점. 합금은 서로 다른 크기의 원자가 층을 왜곡시켜 미끄러짐을 방지하므로 순수 금속보다 단단합니다.

상태 예측 및 변화 설명

주어진 압력에서 순수 물질은 녹는점 이하에서는 고체, 녹는점과 끓는점 사이에서는 액체, 끓는점 이상에서는 기체입니다. 상전이 온도에서는 두 상태가 공존할 수 있습니다. 해설 예시: X는 −15 °C에서 녹고 65 °C에서 끓습니다. X는 −30 °C에서 고체, 20 °C에서 액체, 90 °C에서 기체입니다. 물질의 상전이 데이터가 없으면 온도 숫자만으로는 충분하지 않습니다.

고체에서 입자는 고정된 위치 주위를 진동한다. 융해 시에는 서로 지나칠 수 있을 만큼 에너지를 얻지만 여전히 가까이 머물러 있다. 끓임 시에는 attraction이 극복되면서 입자가 훨씬 더 멀리 떨어진다. 냉각은 이러한 변화를 반대로 하고 에너지를 주변으로 전달한다. 가열 시 입자가 더 큰 원자로 부풀어 오르지 않는다. 개별 원자는 거시 샘플의 융점, 경도 또는 전도성을 가지지 않으며, 이러한 속성은 입자의 집합체와 그 구조에 의존한다.

인과적 설명을 사용한다: 구조 → 힘 또는 하전 운반체 → 성질. 움직이는 하전 운반체는 전류가 흐른다. 고체 NaCl의 경우, 서로 다른 전하를 띤 이온이 모든 방향에서 강하게 인력 작용하므로 용화에는 많은 에너지가 필요하다. 이온들이 고정되어 있으므로 전기를 전도하지 않는다. 용융된 NaCl는 전하를 띤 이온을 유지하지만, 이들이 이동하여 전하를 운반한다. 금속의 경우, 이동 가능한 비국소화 전자가 고체 상태에서 전하를 운반하며, 소분자 액체의 경우, 중성 분자만으로는 전기 전류를 운반할 수 없다.

Worked comparison: a polymer chain has strong covalent bonds along it. Relatively strong intermolecular attractions between the large chains make common polymers solid at room temperature. Softening the polymer does not require breaking every covalent bond along every chain. In a giant covalent network such as silica, strong covalent bonds extend throughout the structure, so many bonds must be overcome to melt it. These are different structures even though both contain covalent bonds.

순수 금속의 층은 금속 간 인력이 유지되는 한 미끄러질 수 있습니다. 합금의 서로 다른 크기의 원자는 규칙적인 층을 왜곡시켜 미끄러짐을 어렵게 만듭니다. 이것이 경도가 증가하는 이유를 설명합니다; 이는 모든 순수 금속이 쉽게 긁히거나 합금이 이동 가능한 전자를 갖지 않는다는 뜻이 아닙니다.

• 다이아몬드 — 각 탄소가 네 개의 공유 결합을 형성하는 거대 공유 구조: 매우 단단함, 매우 높은 융점, 전기를 전도하지 않음.
• 그래파이트 — 각 탄소가 세 개의 결합을 형성하고, 층 사이에 공유 결합이 없는 육각형 고리의 층으로 이루어져 있음 (부드럽고 미끄러짐 — 윤활제); 원자당 하나씩의 비국소화된 전자 → 금속처럼 전기를 전도함.
• 그래핀 — 흑연의 단일층: 원자 한 층 두께로, 강하고 전기를 잘 통하는 물질로 전자 및 복합재에 사용됨.
• 풀러렌 — 탄소 육각형으로 이루어진 중공 분자 (5개 또는 7개 구성 원이 추가된 고리 포함); 벅스미스터 풀러렌 C₆₀은 구형임. 탄소 나노튜브 — 긴 직경 비를 가진 원통형 풀러렌: 나노기술, 전자, 소재 분야에 활용됨.

Nanoscience = structures 1–100 nm; the smallest are of the order of a few hundred atoms. Particle size and atom count are different quantities. Nanoparticles are smaller than fine particles (PM2.5, 100–2500 nm), which are smaller than coarse particles/dust (PM10 in this specification, 2.5 × 10⁻⁶–1 × 10⁻⁵ m).

표면적 : 부피: 정육면체의 변 길이가 10× 감소하면, SA:V 비는 10× 증가합니다. 이러한 높은 비율 때문에 나노입자는 본래 물질과 다른 성질을 보일 수 있습니다—촉매(소량으로 작용), 약물 전달, 화장품, 전자 제품 등. 우려 사항: 인체 내 및 환경에서의 영향이 완전히 알려져 있지 않습니다.

단일 입자가 아닌 동일한 양을 비교하십시오

For a model cube of side $l$, surface area $A=6l^2$ and volume $V=l^3$, so $A/V=6/l$. The quotient has an inverse-length unit. Worked example: a 100 nm cube has $A=60\,000\ \mathrm{nm^2}$, $V=1\,000\,000\ \mathrm{nm^3}$ and $A/V=0.06\ \mathrm{nm^{-1}}$. A 10 nm cube has $A=600\ \mathrm{nm^2}$, $V=1000\ \mathrm{nm^3}$ and $A/V=0.6\ \mathrm{nm^{-1}}$: ten times larger. The smaller individual cube has less area, but the same total volume divided into smaller cubes has more total exposed area.

한 나노미터(m)는 $10^{-9}$ m이다. 20 nm 입자는 직경이 $2.0\times10^{-8}$ m이며, 일반적인 원자의 지름(약 0.2 nm, 반지름 약 0.1 nm)의 약 100 배에 해당한다. 이는 하나의 큰 원자가 아니다. 0.2 nm 정육면체는 명시된 나노입자 범위를 벗어나므로 적절한 나노입자 예시가 될 수 없다.

Evaluate given information. Suppose equal masses of a material remove the same pollutant in 12 minutes as nanoparticles and 40 minutes in bulk form. The tested nano form acts faster; greater exposed area per mass is a plausible explanation. This result alone does not prove that a skin product is safe, cheap or environmentally harmless. Weigh the stated benefit against exposure, possible health/environmental effects and the limits of the evidence. Ask what further measurements would resolve the particular uncertainty. Do not claim that all nanoparticles enter the skin or that all are harmful.

• The three bonds in terms of electrons and electrostatic forces; ion charges from group numbers.
• 명명된 여 분자를 위한 점과 교차 표시; 모델의 한계 열거.
• 위 성질 표를 기억으로 재구성 — 융해 시 극복되는 힘은 무엇인가?
• 다이아몬드, graphite, 그래핀, 풀러렌 간의 결합이 성질에 미치는 영향; 이를 알 수 없는 용도에 적용하십시오.
• (Chem) SA:V factor-of-10 rule; the three particle-size bands and nanoparticle uses and concerns.