Trurl은 원자를 잡고 전자를 긁어 내고 손가락 만 깜박일 때까지 양성자를 반죽하고 양성자 반죽을 준비하고 그 주위에 전자를 배치하고 다음 원자를 위해; 그가 순금 덩어리를 손에 쥐기까지는 5분도 채 지나지 않았습니다. 그는 그것을 그의 총구에 건네줬고, 그녀는 그 덩어리를 이빨에 대고 고개를 끄덕였습니다.
- 사실 금이지만 그런 원자는 쫓아갈 수가 없어요. 나는 너무 크다.
- 괜찮아요. 특별한 장치를 드릴게요! -Trurl이 그를 설득했습니다.
스타니슬라프 렘, 사이버리아드
현미경을 사용하여 원자를 보고, 다른 원자와 구별하고, 화학 결합의 파괴 또는 형성을 관찰하고, 한 분자가 어떻게 다른 분자로 변형되는지 보는 것이 가능합니까? 예, 단순한 현미경이 아니라 원자력 현미경이라면 가능합니다. 그리고 관찰에만 국한할 필요도 없습니다. 우리는 원자현미경이 더 이상 미시세계를 들여다보는 창문이 아닌 시대에 살고 있습니다. 오늘날 이 장비는 원자를 이동하고, 화학 결합을 끊고, 단일 분자의 신장 한계를 연구하고, 심지어 인간 게놈을 연구하는 데에도 사용될 수 있습니다.
크세논 픽셀로 만든 문자
원자를 관찰하는 것이 항상 쉬운 일은 아니었습니다. 원자력 현미경의 역사는 취리히의 IBM 연구 센터에서 근무하던 Gerd Karl Binnig와 Heinrich Rohrer가 원자 분해능에서 표면을 연구할 수 있는 장비를 만들기 시작한 1979년에 시작되었습니다. 이러한 장치를 개발하기 위해 연구원들은 터널링 효과, 즉 겉보기에 뚫을 수 없는 장벽을 극복하는 전자의 능력을 사용하기로 결정했습니다. 아이디어는 스캐닝 프로브와 연구 중인 표면 사이에서 발생하는 터널링 전류의 강도를 측정하여 샘플 내 원자의 위치를 결정하는 것이었습니다.
이에 성공하여 비니히와 로러는 주사터널링현미경(STM)의 발명자로 역사에 기록되었으며, 1986년에는 노벨 물리학상을 수상했습니다. 주사 터널링 현미경은 물리학과 화학 분야에 진정한 혁명을 일으켰습니다.
1990년에 캘리포니아 IBM 연구 센터에서 근무하던 Don Eigler와 Erhard Schweitzer는 STM이 원자를 관찰하는 것뿐만 아니라 원자를 조작하는 데에도 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 주사 터널링 현미경 탐침을 사용하여 그들은 아마도 화학자들이 개별 원자를 다루는 작업으로의 전환을 상징하는 가장 인기 있는 이미지를 만들었습니다. 그들은 35개의 크세논 원자가 있는 니켈 표면에 세 글자를 그렸습니다(그림 1).
Binnig는 자신의 영예에 안주하지 않았습니다. IBM Zurich Research Center에서 근무했던 Christopher Gerber 및 Kelvin Quaite와 함께 노벨상을 받은 해에 그는 단점이 없는 마이크로 세계를 연구하기 위한 또 다른 장치 작업을 시작했습니다. STM에 내재되어 있습니다. 사실 주사 터널링 현미경의 도움으로 유전체 표면을 연구하는 것은 불가능했지만 도체와 반도체만 연구했으며 후자를 분석하려면 이들과 현미경 프로브 사이에 상당한 진공을 생성해야 했습니다. 새로운 장치를 만드는 것이 기존 장치를 업그레이드하는 것보다 쉽다는 사실을 깨달은 Binnig, Gerber 및 Quaite는 원자력 현미경(AFM)을 발명했습니다. 작동 원리는 근본적으로 다릅니다. 표면에 대한 정보를 얻기 위해 현미경 프로브와 연구 대상 샘플 사이에서 발생하는 전류 강도가 아니라 둘 사이에서 발생하는 인력의 값, 즉 약한 값을 측정합니다. 비화학적 상호작용 - 반 데르 발스 힘.
AFM의 첫 번째 작업 모델은 비교적 간단했습니다. 연구원들은 금박으로 만들어진 캔틸레버인 유연한 마이크로 기계식 센서에 연결된 샘플 표면 위로 다이아몬드 프로브를 움직였습니다. (프로브와 원자 사이에 인력이 발생하고, 캔틸레버는 인력에 따라 구부러지고 압전을 변형시킵니다.) . 캔틸레버의 굽힘 정도는 비닐 레코드의 홈과 융선이 오디오 녹음으로 변환되는 것과 유사한 방식으로 압전 센서를 사용하여 결정되었습니다. 원자력 현미경의 설계 덕분에 최대 10~18뉴턴의 인력을 감지할 수 있었습니다. 작업 프로토타입을 만든 지 1년 후, 연구원들은 2.5옹스트롬의 해상도로 흑연 표면 지형의 이미지를 얻을 수 있었습니다.
그 이후 30년 동안 AFM은 세라믹 재료의 표면부터 살아있는 세포 및 개별 분자에 이르기까지 거의 모든 화학 물체를 정적 및 동적 상태에서 연구하는 데 사용되었습니다. 원자력현미경은 화학자와 재료과학자들의 주요 도구가 되었으며, 이 방법을 사용하는 연구의 수가 지속적으로 증가하고 있습니다(그림 2).
수년에 걸쳐 연구자들은 원자력 현미경을 사용하여 물체에 대한 접촉 및 비접촉 연구를 위한 조건을 선택했습니다. 접촉 방법은 위에 설명되어 있으며 캔틸레버와 표면 사이의 반 데르 발스 상호 작용을 기반으로 합니다. 비접촉 모드에서 작동할 때 압전진동기는 특정 주파수(대부분 공진)에서 프로브의 진동을 자극합니다. 표면에 가해지는 힘으로 인해 프로브 진동의 진폭과 위상이 모두 변경됩니다. 비접촉 방법의 일부 단점(주로 외부 소음에 대한 민감성)에도 불구하고 연구 대상 물체에 대한 프로브의 영향을 제거하므로 화학자에게 더 흥미로울 수 있습니다.
프로브에 활발히 참여하며 연결을 추구합니다.
원자력 현미경은 Binnig의 학생인 Franz Josef Gissibl의 연구 덕분에 1998년에 비접촉 방식이 되었습니다. 안정된 주파수의 석영 기준 발진기를 캔틸레버로 사용하도록 제안한 사람이 바로 그 사람이었습니다. 11년 후, 취리히에 있는 IBM 연구실의 연구원들은 비접촉 AFM의 또 다른 수정 작업에 착수했습니다. 센서 프로브의 역할은 날카로운 다이아몬드 결정이 아니라 단일 분자인 일산화탄소에 의해 수행되었습니다. 이를 통해 IBM 취리히 부서의 Leo Gross가 시연한 것처럼 아원자 분해능으로 전환하는 것이 가능해졌습니다. 2009년에 그는 AFM을 사용하여 원자가 아닌 화학 결합을 가시화하여 펜타센 분자에 대해 매우 명확하고 명확하게 읽을 수 있는 "그림"을 얻었습니다(그림 3; 과학, 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210).
AFM을 사용하여 화학 결합을 볼 수 있다고 확신한 Leo Gross는 더 나아가 원자력 현미경을 사용하여 결합 길이와 차수를 측정하기로 결정했습니다. 결합 길이와 순서는 화학 구조와 물질의 특성을 이해하기 위한 핵심 매개변수입니다.
결합 순서의 차이는 전자 밀도가 다르고 두 원자 사이의 원자간 거리가 다르다는 것을 나타냅니다(간단히 말하면 이중 결합이 단일 결합보다 짧습니다). 에탄의 탄소-탄소 결합 차수는 1이고, 에틸렌의 경우 2이며, 전통적인 방향족 분자 벤젠의 탄소-탄소 결합 차수는 1보다 크고 2보다 작아서 1.5로 간주됩니다.
단순한 방향족 시스템에서 평면 또는 벌크 중축합 순환 시스템으로 이동할 때 결합 순서를 결정하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 따라서 응축된 5원 및 6원 탄소 고리로 구성된 풀러렌의 결합 순서는 1에서 2까지의 값을 가질 수 있습니다. 다환 방향족 화합물에는 이론적으로 동일한 불확실성이 내재되어 있습니다.
2012년에 레오 그로스(Leo Gross)는 파비안 몬(Fabian Mohn)과 함께 일산화탄소로 변형된 비접촉 금속 탐침을 갖춘 원자력 현미경이 원자의 전하 분포와 원자간 거리, 즉 결합 순서와 관련된 매개변수의 차이를 측정할 수 있음을 보여주었습니다. 과학, 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621).
이를 위해 그들은 풀러렌의 두 가지 유형의 화학 결합, 즉 C60 풀러렌의 6원자 탄소 함유 고리 2개에 공통적인 탄소-탄소 결합과 5원 및 6원자 고리에 공통되는 탄소-탄소 결합을 연구했습니다. -회원 반지. 원자간력 현미경은 6원 고리의 응축이 고리 조각 C 6 과 C 5 의 응축보다 더 짧고 더 높은 질서의 결합을 생성한다는 것을 보여주었습니다. 6개의 C 6 고리가 중앙 C 6 고리 주위에 대칭적으로 위치하는 헥사벤조코로넨의 화학 결합 특징에 대한 연구는 중앙 고리의 C-C 결합 순서에 따른 양자 화학 모델링 결과를 확인했습니다. 그림 4, 편지 나)는 이 링을 주변 사이클과 연결하는 결합보다 커야 합니다(그림 4에서 문자 제이). 9개의 6원 고리를 포함하는 보다 복잡한 다환식 방향족 탄화수소에 대해서도 유사한 결과가 얻어졌습니다.
결합 순서와 원자간 거리는 물론 유기화학자들의 관심거리였지만, 화학결합 이론을 연구하고, 반응성을 예측하고, 화학반응의 메커니즘을 연구하는 사람들에게는 더 중요했습니다. 그러나 천연 화합물의 구조를 연구하는 합성 화학자와 전문가 모두 놀랐습니다. 원자력 현미경을 사용하여 NMR 또는 IR 분광학과 동일한 방식으로 분자 구조를 결정할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 또한, 이러한 방법으로 처리할 수 없는 질문에 대한 명확한 답변을 제공합니다.
사진부터 영화까지
2010년에 동일한 Leo Gross와 Rainer Ebel은 박테리아에서 분리된 천연 화합물인 세팔란돌 A의 구조를 명확하게 확립할 수 있었습니다. 더마코쿠스 아비시(자연화학, 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). 세팔란돌 A의 조성은 이전에 질량 분석법을 사용하여 확립되었지만 이 화합물의 NMR 스펙트럼 분석에서는 구조 문제에 대한 명확한 답을 제공하지 못했습니다. 네 가지 옵션이 가능했습니다. 연구진은 원자현미경을 사용해 4개의 구조 중 2개를 즉시 제거하고 AFM과 양자화학 모델링을 사용해 얻은 결과를 비교해 나머지 2개를 올바르게 선택했다. 작업은 어려운 것으로 판명되었습니다. 펜타센, 풀러렌 및 코로넨과 달리 세팔란돌 A는 탄소 및 수소 원자뿐만 아니라 이 분자에는 대칭면이 없지만(그림 5) 이 문제도 해결되었습니다.
원자력 현미경이 분석 도구로 사용될 수 있다는 추가 확인은 당시 오사카 대학 공과대학에서 근무했던 Oscar Kustanza 그룹에서 얻어졌습니다. 그는 AFM을 사용하여 탄소와 수소보다 훨씬 덜 다른 원자를 구별하는 방법을 보여주었습니다. 자연, 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Kustants는 각 원소의 함량이 알려진 실리콘, 주석, 납으로 구성된 합금의 표면을 조사했습니다. 수많은 실험의 결과, 그는 AFM 프로브의 끝과 다른 원자 사이에 생성되는 힘이 다르다는 것을 발견했습니다(그림 6). 예를 들어, 실리콘을 프로빙할 때 가장 강한 상호작용이 관찰되었고, 납을 프로빙할 때 가장 약한 상호작용이 관찰되었습니다.
앞으로 개별 원자를 인식하기 위한 원자력현미경 결과는 NMR 결과와 동일하게 상대값 비교를 통해 처리될 것으로 예상된다. 센서 팁의 정확한 구성은 제어하기 어렵기 때문에 센서와 다양한 표면 원자 사이의 힘의 절대값은 실험 조건 및 장치 브랜드에 따라 다르지만 모든 구성 및 모양에 대한 이러한 힘의 비율은 센서는 각 화학 원소에 대해 일정하게 유지됩니다.
2013년에는 AFM을 사용하여 화학 반응 전후 개별 분자의 이미지를 얻은 첫 번째 사례가 나타났습니다. 반응 생성물과 중간체의 "사진 세트"가 생성되어 일종의 다큐멘터리 영화로 편집될 수 있습니다( 과학, 2013, 340, 6139, 1434~1437; 도이: 10.1126/science.1238187).
캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 Felix Fischer와 Michael Crommie는 표면에 은을 적용했습니다. 1,2-비스[(2-에티닐페닐)에티닐]벤젠, 분자를 이미지화하고 표면을 가열하여 고리화를 시작했습니다. 원래 분자의 절반은 융합된 5개의 6원 고리와 2개의 5원 고리로 구성된 다환 방향족 구조로 변했습니다. 분자의 또 다른 1/4은 하나의 4원 고리와 2개의 5원 고리를 통해 연결된 4개의 6원 고리로 구성된 구조를 형성했습니다(그림 7). 나머지 생성물은 올리고머 구조였으며 소량의 다환 이성질체였습니다.
이 결과는 연구원들을 두 번 놀라게 했습니다. 첫째, 반응 중에 두 가지 주요 생성물만이 형성되었습니다. 둘째, 그들의 구조는 놀라웠다. Fisher는 화학적 직관과 경험을 통해 수십 가지의 가능한 반응 생성물을 그릴 수 있었지만 그 중 어느 것도 표면에 형성된 화합물과 일치하지 않았다고 지적합니다. 출발 물질과 기질의 상호 작용으로 인해 비정형 화학 공정의 발생이 촉진되었을 가능성이 있습니다.
당연히 화학 결합 연구에서 처음으로 큰 성공을 거둔 후 일부 연구자들은 AFM을 사용하여 더 약하고 덜 연구된 분자간 상호 작용, 특히 수소 결합을 관찰하기로 결정했습니다. 그러나 이 분야의 작업은 이제 막 시작되었으며 결과는 모순적입니다. 따라서 일부 간행물에서는 원자력 현미경을 사용하면 수소 결합을 관찰할 수 있다고 보고합니다( 과학, 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), 다른 사람들은 이것이 장치의 설계 특성으로 인한 인공물일 뿐이며 실험 결과를 보다 신중하게 해석해야 한다고 주장합니다( 실제 검토 편지, 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102). 아마도 원자현미경을 사용하여 수소와 기타 분자간 상호작용을 관찰할 수 있는지 여부에 대한 최종 답은 이미 10년 안에 나올 것입니다. 이를 위해서는 AFM 해상도를 최소한 몇 배 이상 높이고 간섭 없이 이미지를 얻는 방법을 배워야 합니다( 물리적 검토 B, 2014, 90, 085421, 도이: 10.1103/PhysRevB.90.085421).
단일 분자 합성
숙련된 기술을 사용하면 STM과 AFM 모두 물질을 연구할 수 있는 장치에서 의도적으로 물질의 구조를 변경할 수 있는 장치로 전환됩니다. 이러한 장치의 도움으로 플라스크 대신 기질을 사용하고 반응 물질의 몰 또는 밀리몰 대신 개별 분자를 사용하는 "가장 작은 화학 실험실"을 얻는 것이 이미 가능해졌습니다.
예를 들어, 2016년에 구마가이 다카시(Takashi Kumagai)가 이끄는 국제 과학자 팀은 비접촉 원자력 현미경을 사용하여 포르피센 분자를 한 형태에서 다른 형태로 변환했습니다. 자연화학, 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). 포르피센은 내부 고리에 4개의 질소 원자와 2개의 수소 원자가 포함된 포르피린의 변형으로 간주될 수 있습니다. AFM 프로브의 진동은 포르피린 분자에 충분한 에너지를 전달하여 이러한 수소를 한 질소 원자에서 다른 질소 원자로 전달했으며 그 결과는 이 분자의 "거울 이미지"였습니다(그림 8).
지치지 않는 Leo Gross가 이끄는 팀은 또한 단일 분자의 반응을 시작하는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 그들은 디브로모만트라센을 10원 고리형 다이인으로 전환했습니다(그림 9; 자연화학, 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300 ). Kumagai et al.과 달리 그들은 주사 터널링 현미경을 사용하여 분자를 활성화했으며 반응 결과는 원자간력 현미경을 사용하여 모니터링했습니다.
주사터널링현미경과 원자력현미경을 함께 사용하면 고전적인 기술과 방법으로는 합성할 수 없는 분자를 얻는 것도 가능해졌습니다. 자연나노기술, 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). 이것은 불안정한 방향족 디라디칼인 트라이앵귤렌으로, 그 존재는 60년 전에 예측되었으나 모든 합성 시도는 실패했습니다(그림 10). Niko Pavlicek 그룹의 화학자들은 STM을 사용하여 전구체에서 두 개의 수소 원자를 제거하고 AFM을 사용하여 합성 결과를 확인하여 원하는 화합물을 얻었습니다.
유기 화학에서 원자력 현미경을 사용하는 데 전념하는 연구의 수가 계속해서 늘어날 것으로 예상됩니다. 현재 점점 더 많은 과학자들이 "용액 화학"에서 잘 알려진 표면 반응을 재현하려고 노력하고 있습니다. 그러나 아마도 합성 화학자들은 원래 AFM을 사용하여 표면에서 수행되었던 반응을 용액에서 재현하기 시작할 것입니다.
무생물에서 생물로
원자력 현미경의 캔틸레버와 프로브는 분석 연구나 이국적인 분자의 합성뿐만 아니라 응용 문제를 해결하는 데에도 사용할 수 있습니다. 예를 들어 암의 조기 진단을 위해 의학에서 AFM을 사용하는 사례는 이미 알려져 있으며, 여기의 개척자는 원자력 현미경의 원리를 개발하고 AFM의 생성에 참여한 크리스토퍼 거버(Christopher Gerber)입니다.
따라서 Gerber는 흑색종의 리보핵산(생검 결과 얻은 물질)의 점 돌연변이를 탐지하도록 AFM을 가르칠 수 있었습니다. 이를 위해 원자력현미경의 금 캔틸레버를 RNA와 분자간 상호작용을 할 수 있는 올리고뉴클레오티드로 변형시켰는데, 이 상호작용의 세기도 압전효과로 측정할 수 있다. AFM 센서의 감도는 매우 높아 이미 널리 사용되는 게놈 편집 방법인 CRISPR-Cas9의 효율성을 연구하는 데 사용하려고 합니다. 다양한 세대의 연구자들이 만들어낸 기술이 여기에 모입니다.
정치 이론 중 하나의 고전을 의역하자면, 우리는 이미 원자력 현미경의 무한한 가능성과 무궁무진함을 보고 있으며 이러한 기술의 추가 개발과 관련하여 앞으로 어떤 일이 일어날지 거의 상상할 수 없다고 말할 수 있습니다. 하지만 오늘날 주사 터널링 현미경과 원자력 현미경은 우리에게 원자를 보고 만질 수 있는 기회를 제공합니다. 이것은 원자와 분자의 소우주를 들여다볼 수 있는 눈의 확장일 뿐만 아니라, 이 소우주를 만지고 제어할 수 있는 새로운 눈, 새로운 손가락이라고 말할 수 있습니다.
그러나 그것들은 너무 작아서 광학현미경이나 전자현미경으로 볼 수 없습니다. 그러나 그 존재를 나타내는 몇 가지 현상을 관찰하는 것은 쉽습니다.
핵이나 헬륨과 같은 하전 입자가 습한 가스를 통과할 때 하늘 높이 비행기가 남기는 것과 유사한 증기 흔적을 남깁니다. 우리는 현미경 없이도 이 흔적을 보거나 사진을 찍을 수 있습니다.
원자를 분자로 연결하기
최근까지는 원자를 볼 수 없었지만 원자의 화학적 결합인 분자를 볼 수 있습니다. 때로는 너무 커서 전자현미경으로 관찰할 수 있는 분자도 있지만, 너무 작아서 더 긴 가시광선 파장을 반사할 수 없어 간단한 현미경으로는 볼 수 없는 경우도 있습니다.
분자에는 몇 개의 원자가 포함되어 있습니까?
바이러스는 알려진 가장 큰 분자 중 하나인 거대한 분자입니다. 많은 문제를 일으킨 소아마비 바이러스는 수천 개의 원자를 포함하는 구형 분자입니다. 전자현미경을 사용하면 180,000배율로 볼 수 있습니다.
1957년에 펜실베이니아 대학의 과학자 어윈 뮬러(Erwin Mueller)는 개별 원자의 최초 실제 사진을 찍었습니다. 왼쪽에는 매우 얇은 금속 바늘 표면의 결정 격자에 배열된 텅스텐 원자가 표시되어 있습니다. 그들은 이온현미경 분야에서 뮬러(Muller)에 의해 관찰되었습니다. 각각의 작은 점은 개별 원자이고, 밝은 점은 여러 원자의 그룹입니다. 여기서 증가한 금액은 약 2,000,000입니다.
매사추세츠 공과대학의 마틴 버거(Martin Burger) 박사는 X선을 사용하여 황철석 결정의 개별 원자 배열을 기록했습니다. 이황화철인 황철석은 철과 황의 화합물입니다. 각 황철석 셀에는 철 원자 1개와 황 원자 2개가 포함되어 있습니다.
물론 원자는 매우 작습니다. 철 원자 하나의 직경은 3억분의 1센티미터 미만입니다. 사진은 원자를 자세히 조사할 수는 없지만 결정에 있는 개별 원자의 위치를 명확하게 보여줍니다.
원자는 분자에서 어떻게 연결되어 있습니까?
이제 철과 황과 같은 다양한 원자를 결합하여 분자를 형성하는 방법에 대한 질문을 찾아 보겠습니다.
철가루와 황을 완전히 혼합하면 혼합물에는 여전히 철가루와 황이 남아 있습니다. 다시 분리하기 쉽습니다. 필요한 것은 자석뿐입니다. 따라서 철과 황은 혼합될 때 화합물을 형성하지 않습니다. 그들은 서로 옆에 앉아 있는 개별 철과 황 원자의 혼합물을 형성합니다. 그러나 혼합물을 도가니에 넣고 가열하면 철과 황 원자가 화합물을 형성합니다.
함께 가열하면 개성이 사라지고 철과 황과 모든 특성이 다른 화합물, 즉 황화철이 됩니다. 이 황화철(FeS)의 각 분자에는 철 원자 1개와 황 원자 1개가 있습니다. 이 물질은 공식이 FeS2인 이황화철과 매우 유사합니다. 소량의 마그네슘 금속과 열만 필요하기 때문에 마그네슘 화합물을 제조하는 것은 매우 쉽습니다. 필요한 산소는 공기에서 나옵니다.
마그네슘의 무게를 측정해 보면 마그네슘이 연소될 때 손실되는 것이 아니라 무게가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 마그네슘이 공기 중의 산소와 결합하여 새로운 화합물인 산화마그네슘 MgO를 형성하기 때문에 발생합니다. 물론 산화마그네슘은 원래의 마그네슘보다 무겁습니다. 마그네슘 원자의 무게에 산소 원자의 무게를 더해야 하기 때문입니다. 생성된 산화마그네슘은 마그네슘도 산소도 아닙니다.
철과 황, 마그네슘과 산소가 결합하는 과정을 화학반응이라고 합니다. 두 반응의 화학식은 매우 간단합니다.
- Fe + S -> FeS(철과 황이 황화철을 형성함)
- 2Mg + 0 2 -> 2MgO(마그네슘과 산소가 산화마그네슘을 형성함).
지금까지 우리는 화학자가 두 원소의 화합물을 어떻게 제조하는지 살펴봤지만 왜 반응이 일어나는지에 대한 질문은 명확히 하지 못했습니다. 원자가 결합하여 분자를 형성할 수 있는 방법은 매우 많지만, 그 중 어떤 방법이든 항상 궤도에서 원자 전자의 재배열을 수반합니다.
원자 내 전자의 재배열은 실제로 화학 과정을 결정합니다.
주기율표의 첫 번째 가로줄에는 수소와 헬륨이라는 두 가지 원소만 포함되어 있습니다. 그들 각각은 하나의 전자 껍질을 가지고 있습니다. 두 번째 가로줄은 이미 2개의 전자 껍질을 가진 8개의 요소로 구성되어 있습니다. 각 요소에는 전자가 차지하는 하나 이상의 "위치"가 있는 "8자리" 외부 껍질이 있다고 말할 수 있습니다.
우리가 이미 본 바와 같이 이 계열의 첫 번째 원소인 리튬은 외부 껍질에 전자가 하나만 있고, 베릴륨은 2개 등 네온까지 전자가 8개 모두 전자로 채워져 있습니다.
다른 5개의 가로 행에서도 비슷한 상황이 발생합니다. 새 쉘 채우기는 각 행의 첫 번째 요소부터 시작됩니다.
주기율표의 각 수직 열에는 외부 껍질에 동일한 수의 전자를 갖는 원소가 포함되어 있습니다. 수소, 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 - 이들은 모두 외부 껍질에 단일 전자를 가지고 있습니다.
주기율표의 오른쪽 가장자리에는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈 등 외부 껍질이 채워져 있는 원소가 있습니다.
각 수직 열의 요소는 동일한 계열의 구성원입니다. 그리고 그것들은 모두 외부 껍질에 같은 수의 전자를 가지고 있기 때문에 비슷한 화학적 특성을 가지고 있습니다.
수소 자체 외에도 첫 번째 열의 원소(수소의 화학적 친척)를 알칼리 금속이라고 합니다. 그들 각각은 화학 반응에서 이동할 수 있는 단일 전자를 가지고 있습니다.
이러한 반응은 예를 들어 나트륨이 염소와 결합하여 잘 알려진 식염 분자를 형성할 때 발생합니다. 나트륨 원자의 2차원 모델에서는 핵에 11개의 양성자와 핵의 양전하의 균형을 맞추는 11개의 전자가 있음을 알 수 있습니다. 첫 번째 껍질에 2개의 전자, 두 번째 껍질에 8개, 세 번째 껍질에 1개 .
염소 원자는 각 껍질에 2, 8, 7개의 전자를 가지고 있습니다. 나트륨은 하나의 외부 전자를 가지고 있는 반면, 염소는 껍질을 채우는 데 하나의 전자가 부족합니다. 나트륨의 외부 껍질에서 단일 전자가 점프하여 염소 원자의 외부 껍질을 채울 때 화합물을 형성합니다. 전자 없이 용해된 나트륨은 양전하를 띠게 됩니다. 음전하 중 하나(전자)가 염소에 첨가되었습니다. 이제 두 원자는 반대 전하를 가지게 되므로 강한 전기적 결합으로 서로 결합됩니다.
실제로 원자가 아니라 반대 전하를 갖는 이온에 대해 이야기하는 것이 더 정확합니다. 전자를 얻거나 잃어 중성을 잃은 원자를 이온이라고 부르기 때문입니다.
이 실험을 실제로 실행하려면 황록색 유독 가스인 염소 한 병에 부드러운 독인 나트륨을 넣어야 합니다. 곧 나트륨과 염소가 결합하면 식염 NaCl이 형성됩니다. 물론, 아주 많은 수의 소금 분자나 함께 그룹화된 다른 화합물만이 상당한 양의 소금을 형성할 수 있습니다.
나트륨과 염소는 함께 결정체로 성장합니다. 나트륨 이온과 염소 이온이 서로 번갈아 가며 입방 격자를 형성합니다. 소금 결정은 일반적으로 불완전하며 다양한 결함을 가지고 있습니다. 그러나 교란 없이 성장한 결정은 뚜렷한 입방구조를 가지고 있다. 이전 페이지에 표시된 복잡한 결정에는 엄청난 수의 원자(약 1025개의 나트륨 원자와 같은 수의 염소 원자)가 포함되어 있습니다.
이 숫자는 매우 인상적입니다: 10,000,000,000,000,000,000,000,000.
식탁용 소금은 원자가 결합하여 분자를 형성하는 방식 중 하나만을 보여줍니다. 그러나 이 방법이 결코 주된 방법은 아닙니다. 또 다른 예는 입니다. 두 개의 수소 원자가 있는데, 각 원자에는 전자 하나와 산소 원자가 하나씩 있습니다. 핵에 8개의 양성자를 포함하는 산소도 8개의 전자를 가지고 있습니다. 내부 껍질에는 2개의 전자가 있고 외부 껍질에는 6개의 전자가 있어 그 위에 두 개의 채워지지 않은 공간이 남는데, 이 공간은 아마도 두 개의 수소 원자의 전자가 차지할 수 있습니다.
그러나 이 경우 나트륨과 염소의 경우처럼 전자가 전달되지 않습니다. 대신 두 개의 수소 원자가 산소 원자에 더 가까이 이동하여 전자를 공유합니다. 이러한 방식으로 원자를 분자로 결합하는 것은 전자의 공동 소유 또는 전자 쌍을 사용한 통신 또는 마지막으로 . 이 원리에 따라 수많은 분자가 정확하게 형성됩니다.
그러한 분자에서는 지속적으로 방향을 바꾸는 작은 전류가 발생합니다. 이러한 상황으로 인해 분자는 서로 끌어당겨 서로 달라붙어 눈에 보이는 양의 물, 설탕 또는 기타 물질이 형성됩니다. 분자를 하나로 묶는 힘이 없으면 모든 분자는 공기처럼 독립적으로 움직일 것이며 모든 물질은 기체 상태가 될 것입니다.
분자의 원자는 구성 전자와 핵의 전자기 상호 작용으로 인해 서로 연결됩니다. 이 연결은 별로 "어렵지" 않습니다.
단단한 막대로 결합된 원자라고 불리는 공으로 구성된 분자 모델은 실제 분자와 그다지 유사하지 않습니다. 분자에서 원자는 연속적으로 움직입니다. 진동하거나 회전합니다. 하지만 이 그림 역시 부정확하다.
분자 내에서 움직이는 것은 원자가 아니라 구성 핵과 전자라고 말하는 것이 더 정확할 것입니다.
분자로 결합할 때 원자는 주변에 모든 전자를 남기지 않습니다. 그들은 원자 중 하나가 전자의 일부를 다른 원자에게 포기하는 전자의 "재분배"를 생성하고, 쿨롱 힘(이온 결합)으로 인해 "서로 붙잡는" 양이온과 음이온이 형성됩니다.
또는 분자의 원자가 전자의 일부를 공유하기 시작합니다(공유 결합). 두 경우 모두 분자의 원자는 그 자체로 존재하지 않고 "얼굴을 잃습니다." 그러나 이 그림은 완전히 정확하지는 않습니다.
결국 분자, 원자, 전자, 핵은 미시세계의 법칙을 따릅니다. 이것은 당신이 그들에 대해 "그들은 이리저리 움직이며 거기 저기 있습니다"라고 말할 수 없다는 것을 의미합니다. 그들의 상태는 양자역학의 언어로 기술되어야 하는데, 이것이 바로 '확률의 언어'입니다.
따라서 분자를 구성하는 입자의 분포밀도만 그릴 수 있습니다. 그리고 이 사진에서는 일반적인 전자 구름과 개별 이온이 모두 실제로 표시됩니다.
가장 단순한 분자인 수소 분자 H2에 대한 정확한 해법은 없습니다. 이는 4개의 입자, 즉 2개의 양성자와 2개의 전자로 구성됩니다. 정확한 해법은 이체 문제에 대해서만 가능합니다.
따라서 분자의 경우 슈뢰딩거 방정식은 대략적인 방법으로 풀고 모든 계산은 컴퓨터를 사용하여 수행됩니다. 예를 들어, 불화리튬 LiF(이온 결합) 및 수소 H2(공유 결합) 분자에 대해 수행된 계산 결과를 보여줍니다.
그림은 R = 8 A?에서 구성 b에서 Li와 F 핵 사이의 거리 R에 대한 시스템 E의 에너지 의존성의 그래프를 보여줍니다. (1 AΩ = 10-10 m) 리튬 원자의 외부 전자가 불소로 이동했습니다. 이는 두 이온의 상태가 두 원자의 상태보다 에너지적으로 더 유리한 것으로 판명되었음을 의미합니다.
상태 g에서 R = 1.5A? 시스템의 에너지는 최소값을 갖습니다. 이는 에너지적으로 가장 유리한 상태입니다. 그림은 H 원자와 H2 분자에 대해 유사한 계산 결과를 보여줍니다. 두 개의 H 핵 주위에 공통 전자 껍질이 형성되는 과정이 명확하게 보입니다.
물질. 분자. 원자
계속. 2003년 6~14, 15, 16, 17호 참조
학교에서 집으로 돌아온 사샤는 방해받지 말라고 요청하고 방에 가두었습니다.
Masha는 “그들의 수업은 마지막 종소리를 위한 공연을 준비하고 있습니다.”라고 설명했습니다. -졸업생들에게 축하 인사와 콘서트 의상을 부탁한 것 같아요.
한 시간 후, 어머니는 딸을 살펴보기로 결정했습니다. 그녀는 그림을 그리거나 바느질하는 소녀를 찾을 것으로 예상했지만 Sasha는 단순히 테이블에 앉아 수채화 용으로 준비된 물 한 잔을 신중하게 바라 보았습니다.
바스락거리는 소리를 듣고 사샤는 눈을 들어 물었다.
– 물 한 잔은 물인가요?
“물론이죠.” 어머니는 딸이 무슨 뜻인지 잘 이해하지 못한 채 자동으로 대답했습니다.
– 반 잔도 물인가요?
- 왜 안 돼? - 엄마가 놀랐어요.
"그리고 물 한 방울도 물이고, 반 방울도..." 사샤가 말을 이었습니다. – 물 한 방울은 몇 개로 나누어질 수 있나요? 가장 작은 물 조각은 무엇입니까?
“물 중에서 가장 작은 조각은 물 분자예요.” 엄마가 말씀하셨어요.
"분자는 아마도 너무 작아서 현미경으로만 볼 수 있을 것입니다"라고 Sasha는 제안했습니다.
– 아니요, 현미경으로 분자를 볼 수도 없습니다. 그녀는 아주 아주 작습니다. 그리고 당신 앞에 서있는 물은 엄청난 수의 분자로 구성됩니다.
- 수량은요? – 사샤가 즉시 물었습니다.
“상상조차 할 수 없을 정도로 크다.” 누군가는 한 잔의 물에는 지구의 모든 바다, 바다, 강, 호수에 있는 물 잔의 수보다 더 많은 분자가 있다고 계산했습니다.
"와!..." 사샤가 갑자기 속삭였다. - 놀랍습니다!
“가장 놀라운 점은 단 한 분자의 물이라도 모든 양의 물과 같은 방식으로 화학 반응을 일으킨다는 것입니다.”라고 어머니는 침착하게 말씀하셨습니다.
사샤는 주위를 둘러보았다.
– 그럼 모든 물질에는 고유한 분자가 있다는 건가요? - 그녀가 물었다. – 그리고 그것들은 모두 똑같이 작습니까?
– 작은 분자 중에는 더 큰 분자와 더 작은 분자가 있습니다. 그러나 물론 그들 모두는 우리를 둘러싼 물체에 비해 매우 작습니다. 사실, 모든 물질이 분자로 구성되어 있다고 말할 수는 없습니다. 다른 물질 입자가 있습니다. 하지만 고등학교에서 이것에 대해 배우게 될 것이지만 이제 일을 시작합시다. 그렇지 않으면 고등학생이 휴가없이 남겨질 것입니다.
엄마는 떠났고 사샤는 어디서부터 시작해야할지 생각하기 시작했습니다. 축하 카드를 그리고, 풍선 두 개를 부풀리고, 콘서트 의상에 반짝이를 바느질해야 했습니다.
고민 끝에 그녀는 먼저 풍선을 다루기로 결정했습니다. 더 많은 공기를 들이마신 소녀는 첫 번째 풍선을 부풀리기 시작했습니다. 처음에는 공에 공기가 쉽게 채워졌지만, 갈수록 공의 크기가 커지고 부풀리기가 점점 어려워졌습니다. 마침내 그는 거대해졌습니다. 이빨에 불알이 물린 사샤는 어머니에게 다가가서 중얼거렸습니다.
- 으으으음, 으으으으으으으...
엄마는 재빨리 튼튼한 실을 꺼내서 공 묶는 것을 도왔습니다. 사샤는 그것을 손에 쥐고 사방에서 조사하기 시작했습니다. 그녀는 풍선이 충분히 부풀지 않은 것 같아 가볍게 눌러 보았습니다. 공은 매우 탄력적이었지만 여전히 사샤의 손 아래에는 약간 눌렸습니다.
– 엄마, 보세요. 공기 분자가 줄어들고 있어요!
“네가 틀렸어.” 엄마가 말씀하셨어요. – 첫째, 공기에는 분자가 없습니다. 공기는 가스의 혼합물이며, 각 가스는 자체 분자를 가지고 있습니다. 둘째, 분자를 줄이는 것이 아니라 분자 사이의 공간을 줄이는 것입니다.
– 분자 사이에 틈이 있나요? – 사샤는 놀랐습니다.
- 어떻게 풍선을 부풀릴 수 있나요? 결국, 공기의 각 부분으로 점점 더 많은 가스 분자를 불어넣게 됩니다. 아마도 공 안의 가스가 주변 공기에 비해 약간 압축되어 있다는 것을 알 수 있을 것입니다. 풍선을 부풀리기 위해 얼마나 많은 숨을 내쉬어야 하는지 세어보세요.
사샤가 또 다른 공을 가져갔습니다. 곧 그것은 처음만큼 커졌습니다. 그녀는 말을 할 수 없었지만 그녀의 몸짓을 통해 어머니는 그녀가 두 번 열 번 불었다는 것을 이해했습니다.
– 사람은 한 번에 약 1리터의 공기를 내뿜습니다. 그러나 공의 부피는 물론 20리터 미만입니다. 결국 양동이는 약 2개입니다.
사샤는 어머니의 의견에 동의한다는 표시로 고개를 끄덕이기 시작했습니다. 그 순간, 공이 그녀의 입에서 튀어 나와 방 전체를 격렬하게 돌진하기 시작했습니다.
– 공에서 분자가 튀어나온다! – 사샤가 비명을 질렀습니다. - 간지러워요!
엄마는 웃었다. 사샤는 떨어진 공을 주워 바닥에 앉았다.
"그러나 바닥에는 확실히 분자들 사이에 거리가 없습니다"라고 그녀는 말했습니다. - 그는 움츠러들지 않아요.
“고체와 액체 물질은 거의 압축되지 않지만 분자 사이에 틈이 있어 기체만큼 크지는 않습니다.” 엄마가 말씀하셨어요.
– 가스를 매우 강하게 압축하면 고체가 될까요? – 사샤를 제안했습니다.
- 틀림없이. 이것은 아이스크림 상자에 담긴 이산화탄소로부터 드라이아이스를 얻는 방법입니다. 그리고 테이블 위에 드라이아이스 조각을 놓으면 일정 시간이 지나면 증발하여 다시 가스로 변합니다.
"그럼 왜 테이블은 가스로 변하지 않는 거죠?" – 사샤가 비꼬듯 물었다.
“분자는 서로 끌어당기기도 하고 동시에 밀어내기도 해요.” 엄마가 말씀하셨어요.
사샤가 또 다른 질문을 하려는 것을 알아차린 어머니는 계속 이렇게 말했습니다.
– 왜 이런 일이 일어나는지 아직 설명할 수 없습니다. 많은 학생들조차도 이것을 즉시 이해하지 못합니다. 그러나 반발력보다 인력이 강하면 물질은 액체 또는 고체이고, 약하면 기체로 변합니다. 이는 물질 자체와 온도에 따라 다릅니다. 가열되면 인력이 약해집니다.
“이제 이해가 되네요.” 사샤가 말했습니다. “왜 물이 끓는지.” 그런데 차를 좀 마시자.
“알았어.” 엄마가 동의했어요. – 그런데 마샤가 파이를 굽고 있어요. 그리고 제 생각에는 그는 이미 준비가 되어 있습니다. 얼마나 맛있는 냄새가 나는지 느껴지시나요?
-근데 마샤가 부엌에서 파이를 굽고 있는데 왜 냄새가 방에 닿았나요?
– 베이킹 중에 방출되어 우리에게 온 물질의 분자입니다. 모든 분자는 항상 움직입니다. 고체에서는 한 곳에서 약간 움직이고, 액체에서는 이리저리 움직이며, 기체에서는 매우 빠르게 움직입니다.
Maxim이 왔고 Sasha는 그에게 분자에 대해 이야기하기 시작했습니다.
– 그리고 수업시간에 책상에 앉아 있으면 우리 수업이 어떤지 알 수 있어요. 나와 수수께끼나는 올바른 것을 기억했습니다.
– 일반적인 액체물에 떠다니는 얼어붙은 물을 말씀하시는 건가요?
- 틀림없이! 그리고 우리가 손을 잡고 식당으로 들어가면 마치 우리가 수영하는 것처럼 물이 흐르는 것처럼 보입니다.”라고 Maxim은 설명했습니다.
– 수업이 끝나면 학교 운동장으로 달려가서 또 다른 수수께끼처럼 밝혀졌습니다.
차와 파이를 마신 후 사샤와 맥심은 그림을 그리러 나갔습니다. 사샤는 붓을 물 한 컵에 담근 다음 그 위에 페인트를 떠서 뿌렸습니다. 밝은 방울이 테이블 위에 떨어졌고 Sasha는 그것을 걸레로 닦았습니다. 그런 다음 그녀는 같은 방울을 물에 떨어뜨렸습니다. 물방울이 바닥으로 가라앉더니 천천히 흐려지기 시작했습니다.
“아마도 물 분자가 유리 안에서 움직여서 페인트 분자를 밀어내는 것 같아요.” Sasha가 제안했습니다. - 와, 분자는 볼 수 없지만, 분자가 하는 일은 눈에 띕니다...
그녀는 화학 공책을 펴고 어머니가 그녀에게 말한 내용이 적힌 메모를 Maxim에게 보여주었습니다.
그런 다음 소녀는 폴더에서 종이 한 장을 꺼내 반으로 접었습니다. 그녀는 인사말 카드에 꽃다발을 넣은 아기 Fantik을 그리기로 결정했습니다. 그녀는 오래 걸리지 않았습니다. 내일 축제 의상을 만들기로 결정한 Sasha는 새끼 곰에 대한 새로운 그림을 그리기 시작했습니다. 그리고 Maxim은 시간을 낭비하지 않고 또 다른 십자말 풀이 작업을 시작했습니다.
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크로스워드. 입자 이름
물질의 이름을 왼쪽에서 오른쪽으로 입력하면 위에서 아래로 물질의 가장 작은 입자의 이름을 얻게 됩니다.
수수께끼에 대한 답변. 얼음과 액체 물; 이슬과 수증기.
크로스워드 답변.
수평으로: 1. 비누. 2. 물. 3. 염소.
4. 단백질. 5. 산소. 6. 식초. 7. 얼음. 8. 질소.
수직으로: 1. 분자.
1. 화학의 기본 개념, 정의 및 법칙
1.2. 원자. 화학 원소. 단체
원자는 화학의 핵심 개념이다. 모든 물질은 원자로 구성되어 있습니다. 원자는 화학적 수단으로 물질을 분쇄하는 한계입니다. 원자는 화학적으로 분할할 수 없는 물질의 가장 작은 입자입니다. 원자분열은 핵반응과 방사성 변형과 같은 물리적 과정에서만 가능합니다.
원자의 현대적 정의: 원자는 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자로 구성된 화학적으로 분할할 수 없는 가장 작은 전기적 중성 입자입니다.
자연에서 원자는 자유(개별, 고립) 형태(예를 들어 비활성 기체는 개별 원자로 구성됨)와 다양한 단순 및 복합 물질의 일부로 존재합니다. 복잡한 물질의 구성에서 원자는 전기적으로 중성이 아니지만 과도한 양전하 또는 음전하 (예 : Na + Cl -, Ca 2+ O 2−)를 가지고 있음이 분명합니다. 복잡한 물질에서 원자는 단원자 이온의 형태로 발견될 수 있습니다. 원자와 그로부터 형성된 단원자 이온을 원자라고 합니다. 원자 입자.
자연에 존재하는 원자의 총수는 셀 수 없지만, 예를 들어 숲 속의 모든 나무가 그 특성에 따라 자작나무, 참나무, 가문비나무, 소나무 등으로 나뉘듯이, 원자도 더 좁은 종류로 분류할 수 있습니다. 특징. 원자를 특정 유형으로 분류하는 기본은 핵의 전하입니다. 원자핵의 양성자 수는 원자가 자유 형태인지 화학적으로 결합된 형태인지에 관계없이 보존되는 특성이기 때문입니다.
화학 원소- 동일한 핵전하를 갖는 일종의 원자입자입니다.
예를 들어, 염 구성에서 유리 나트륨 원자 또는 Na + 이온이 고려되는지 여부에 관계없이 화학 원소 나트륨을 의미합니다.
원자의 개념을 혼동해서는 안 된다. 화학 원소그리고 단체. 원자는 구체적인 개념이고 원자는 실제로 존재하지만 화학 원소는 추상적이고 집합적인 개념입니다. 예를 들어, 자연에는 반올림된 상대 원자 질량이 63과 65인 특정 구리 원자가 있습니다. 그러나 화학 원소 구리는 D.I.에 의해 화학 원소 주기율표에 주어진 평균 상대 원자 질량이 특징입니다. 동위 원소의 함량을 고려한 Mendeleev는 63.54와 같습니다 (자연적으로 이러한 Ar 값을 가진 구리 원자는 없습니다). 화학에서의 원자는 전통적으로 전기적으로 중성인 입자로 이해되는 반면, 자연의 화학 원소는 전기적으로 중성인 입자와 하전된 입자(단원자 이온: , , , )로 표현될 수 있습니다.
단순 물질은 자연에 존재하는 화학 원소의 형태 중 하나입니다 (또 다른 형태는 복합 물질 구성의 화학 원소입니다). 예를 들어, 자연의 화학 원소 산소는 단순 물질 O 2의 형태와 여러 복합 물질 (H 2 O, Na 2 SO 4 ⋅ 10H 2 O, Fe 3 O 4)의 일부로 존재합니다. 종종 동일한 화학 원소가 여러 개의 단순 물질을 형성합니다. 이 경우 그들은 동소체, 즉 여러 단순 물질의 형태로 자연에 요소가 존재하는 현상에 대해 이야기합니다. 단순 물질 자체를 동소체 변형이라고 합니다( 수정) . 탄소(다이아몬드, 흑연, 카빈, 풀러렌, 그래핀, 튜불렌), 인(백인, 적색 및 흑색 인), 산소(산소 및 오존)에 대한 다양한 동소체 변형이 알려져 있습니다. 동소체 현상으로 인해 화학 원소보다 단순 물질이 약 5배 더 많이 알려져 있습니다.
동소체의 원인:
- 분자(O 2 및 O 3)의 정량적 구성의 차이;
- 결정 격자(다이아몬드와 흑연) 구조의 차이.
주어진 원소의 동소체 변형은 항상 물리적 특성과 화학적 활성이 다릅니다. 예를 들어, 오존은 산소보다 더 활동적이며 다이아몬드의 녹는점은 풀러렌보다 높습니다. 특정 조건(압력, 온도 변화)에서의 동소체 변형은 서로 변형될 수 있습니다.
대부분의 경우 화학원소와 단순물질의 명칭은 동일(구리, 산소, 철, 질소 등)하므로, 집합체로서 단순물질의 성질(특성)을 구별할 필요가 있다. 동일한 핵 전하를 가진 원자 유형으로서의 입자 및 화학 원소의 특성.
단순 물질은 구조(분자 또는 비분자), 밀도, 주어진 조건에서 특정 응집 상태, 색상 및 냄새, 전기 및 열 전도성, 용해도, 경도, 끓는점 및 녹는점(t 끓음 및 t pl)을 특징으로 합니다. , 점도, 광학적 및 자기적 특성, 몰(상대 분자) 질량, 화학식, 화학적 특성, 제조 방법 및 사용. 물질의 특성은 화학적으로 관련된 입자 모음의 특성이라고 말할 수 있습니다. 하나의 원자나 분자에는 맛, 냄새, 용해도, 녹는점과 끓는점, 색, 전기 및 열 전도성이 없기 때문에 물리적인 신체입니다.
속성(특징) 화학 원소: 원자 번호, 화학 기호, 상대 원자 질량, 원자 질량, 동위원소 조성, 자연에서의 발생, 주기율표에서의 위치, 원자 구조, 이온화 에너지, 전자 친화력, 전기 음성도, 산화 상태, 원자가, 동소체 현상, 질량 및 몰분율 복합 물질의 구성, 흡수 및 방출 스펙트럼. 화학 원소의 특성은 하나의 입자 또는 고립된 입자의 특성이라고 말할 수 있습니다.
"화학 원소"와 "단순 물질" 개념의 차이점이 표에 나와 있습니다. 1.2 질소를 예로 사용합니다.
표 1.2
질소에 대한 "화학 원소"와 "단순 물질" 개념의 차이점
| 질소 - 화학 원소 | 질소는 단순한 물질이다. |
|---|---|
| 1. 원자번호 7번. | 1. 가스(n.o.)는 무색, 무취, 무미이며 독성이 없습니다. |
| 2. 화학 기호 N. | 2. 질소는 분자 구조가 N 2이고 분자는 두 개의 원자로 구성됩니다. |
| 3. 상대원자질량 14. | 3. 몰 질량 28g/mol. |
| 4. 자연에서는 핵종 14N과 15N으로 표시됩니다. | 4. 물에 잘 녹지 않습니다. |
| 5. 지각의 질량 분율은 0.030%(유병률 16위)입니다. | 5. 밀도(ns) 1.25g/dm3, 공기보다 약간 가볍고 헬륨 7의 상대 밀도. |
| 6. 동소체 변형이 없습니다. | 6. 유전체, 열 전도율이 낮습니다. |
| 7. 다양한 염의 일부 - 질산염(KNO 3, NaNO 3, Ca(NO 3) 2). | 7. 끓이다 = −195.8 °C; tpl = −210.0°C. |
| 8. 암모니아의 질량 분율은 82.35%이며 단백질, 아민 및 DNA의 일부입니다. | 8. 유전상수 1.00. |
| 9. 원자의 질량은 (14 N의 경우) 14u 또는 2.324 10 −23 g입니다. | 9. 쌍극자 모멘트는 0이다. |
| 10. 원자 구조: 7p,7e,7n(14N의 경우), 전자 구성 1s 2 2s 2 2p 3, 2개의 전자층, 5개의 원자가 전자 등 | 10. 분자 결정 격자를 가지고 있습니다 (고체 상태). |
| 11. 주기율표에서 2주기에 속하며 VA족은 p원소군에 속한다. | 11. 대기 중 부피 분율은 78%이다. |
| 12. 이온화 에너지 1402.3 kJ/mol, 전자 친화도 -20 kJ/mol, 전기음성도 3.07. | 12. 세계 생산량은 연간 44·10 6톤입니다. |
| 13. 공유 원자가 I, II, III, IV 및 산화 상태 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5를 나타냅니다. | 13. 획득: 실험실에서 - NH 4 NO 2 가열에 의해; 산업 분야 - 액화 공기를 가열하여. |
| 14. 원자 반경(궤도) 0.052 nm. | 14. 화학적으로 비활성이며 가열되면 산소 및 금속과 상호 작용합니다. |
| 15. 스펙트럼의 주요 선은 399.5nm입니다. | 15. 폭발물 건조시, 귀중한 회화 및 원고 보관시, 저온 (액체 질소) 생성시 불활성 분위기를 조성하는데 사용됩니다. |
| 16. 평균적인 사람(체중 70.0kg)의 몸에는 1.8kg의 질소가 들어 있습니다. | |
| 17. 암모니아의 일부로 수소 결합 형성에 참여합니다. |
예제 1.2. 다음 설명 중 산소를 화학 원소로 언급하는 것은 무엇인지 표시하십시오.
- a) 원자의 질량은 16u이다.
- b) 두 가지 동소체 변형을 형성합니다.
- c) 몰 질량은 32g/mol이고;
- d) 물에 잘 녹지 않습니다.
해결책. 설명 c), d)는 단순 물질을 나타내고 설명 a), b)는 화학 원소 산소를 나타냅니다.
답: 3).
각 화학 원소에는 K, Na, O, N, Cu 등의 고유한 기호(화학 기호)가 있습니다.
화학 기호는 단순한 물질의 구성을 나타낼 수도 있습니다. 예를 들어, 화학 원소 Fe의 기호는 철이라는 단순 물질의 구성도 반영합니다. 그러나 화학 기호 O, H, N, Cl은 화학 원소만을 나타냅니다. 단순 물질의 공식은 O 2, H 2, N 2, Cl 2입니다.
이미 언급했듯이 대부분의 경우 화학 원소와 단순 물질의 이름은 동일합니다. 탄소의 동소체 변형 이름(다이아몬드, 흑연, 카빈, 풀러렌)과 산소 변형 이름(산소 및 오존)은 예외입니다. 예를 들어, "흑연"이라는 단어를 사용할 때는 단순 물질(화학 원소가 아닌) 탄소만을 의미합니다.
자연에 존재하는 화학 원소의 풍부함은 질량과 몰분율로 표현됩니다. 질량 분율 w는 모든 원소의 전체 원자 질량에 대한 특정 원소의 원자 질량의 비율입니다. 몰 분율 χ는 주어진 원소의 원자 수와 모든 원소의 총 원자 수의 비율입니다.
지각(약 16km 두께의 층)에서는 산소 원자가 가장 큰 질량(49.13%)과 몰(55%) 비율을 가지며, 그 다음이 실리콘 원자(w(Si) = 26%, χ(Si) = 16)입니다. .35%). 은하계의 전체 원자 수 중 거의 92%가 수소 원자이고, 7.9%가 헬륨 원자입니다. 인체의 주요 원소 원자의 질량 분율: O - 65%, C - 18%, H - 10%, N - 3%, Ca - 1.5%, P - 1.2%.
원자 질량의 절대값은 극히 작아서(예를 들어 산소 원자의 질량은 약 2.7⋅10-23g) 계산이 불편합니다. 이러한 이유로 원소의 상대적 원자 질량 척도가 개발되었습니다. 현재 상대 원자 질량의 측정 단위는 C-12 핵종 원자 질량의 1/12입니다. 이 수량을 일정한 원자 질량또는 원자 질량 단위(a.u.m.)이며 국제 명칭은 u입니다.
m u = 1a. e.m. = 1 u = 1 / 12 (m a 12C) =
1.66 ⋅ 10 − 24g = 1.66 ⋅ 10 − 27kg.
u의 수치가 1/N A와 같다는 것을 쉽게 보여줍니다:
1 u = 1 12 m a (12 C) = 1 12 M (C) N A = 1 12 12 N A = 1 N A =
1 6.02 ⋅ 10 23 = 1.66 ⋅ 10 − 24 (g).
원소의 상대 원자 질량 Ar(E)는 원자의 질량 또는 원자의 평균 질량(각각 동위원소적으로 순수한 원소와 동위원소적으로 혼합된 원소에 대해)이 원자 질량의 1/12보다 몇 배나 큰지를 나타내는 물리적 차원이 없는 양입니다. C-12 핵종:
A r (E) = m a (E) 1 a. e.m. = m a (E) 1 u. (1.1)
상대 원자 질량을 알면 원자의 질량을 쉽게 계산할 수 있습니다.
m a (E) = A r (E)u = A r (E) ⋅ 1.66 ⋅ 10 −24 (g) =
Ar(E) ⋅ 1.66 ⋅ 10 −27(kg).
분자. 그리고 그는. 분자 및 비분자 구조의 물질. 화학 방정식
원자가 상호 작용하면 더 복잡한 입자, 즉 분자가 형성됩니다.
분자는 독립적으로 존재할 수 있고 물질의 화학적 특성을 지닌 가장 작은 전기적으로 중성으로 고립된 원자 집합입니다.
분자는 그들이 형성하는 물질과 동일한 질적, 양적 구성을 가지고 있습니다. 분자 내 원자 사이의 화학적 결합은 분자 사이의 상호 작용력보다 훨씬 더 강합니다(이것이 바로 분자가 별개의 고립된 입자로 간주될 수 있는 이유입니다). 화학 반응에서 분자는 원자와 달리 보존(파괴)되지 않습니다. 원자와 마찬가지로 개별 분자는 색과 냄새, 녹는점과 끓는점, 용해도, 열 및 전기 전도성 등과 같은 물질의 물리적 특성을 갖지 않습니다.
분자는 정확히 물질의 화학적 특성을 전달하는 운반체라는 점을 강조하겠습니다. 물질의 화학적 특성은 개별 분자에는 없는 분자간 상호 작용에 의해 크게 영향을 받기 때문에 분자가 물질의 화학적 특성을 유지한다고 (정확히 동일한) 말할 수는 없습니다. 예를 들어, 트리니트로글리세린이라는 물질은 폭발할 수 있는 능력이 있지만 트리니트로글리세린의 개별 분자는 폭발할 수 없습니다.
이온은 양전하 또는 음전하를 갖는 원자 또는 원자단입니다.
양전하를 띤 이온을 양이온, 음전하를 띤 이온을 음이온이라고 합니다. 이온은 간단할 수 있습니다. 단원자(K +, Cl -) 및 착물(NH 4 +, NO 3 -), 단일 전하(Na +, Cl -) 및 다중 전하(Fe 3+, PO 4 3 -).
1. 주어진 원소에 대해 단순 이온과 중성 원자는 동일한 수의 양성자와 중성자를 갖지만 전자 수는 다릅니다. 양이온은 전기적으로 중성 원자보다 적고 음이온은 더 많습니다.
2. 단순 이온 또는 착 이온의 질량은 해당 전기적으로 중성인 입자의 질량과 같습니다.
모든 물질이 분자로 구성되어 있는 것은 아니라는 점을 명심해야 합니다.
분자로 이루어진 물질을 물질이라고 한다. 분자 구조의 물질. 이는 단순(아르곤, 산소, 풀러렌) 물질이거나 복합(물, 메탄, 암모니아, 벤젠) 물질일 수 있습니다.
모든 가스와 거의 모든 액체(수은 제외)는 분자 구조를 가지고 있습니다. 고체는 분자 구조(자당, 과당, 요오드, 백인, 인산)와 비분자 구조(다이아몬드, 흑린 및 적린, 카보런덤 SiC, 식염 NaCl)를 모두 가질 수 있습니다. 분자 구조를 가진 물질에서는 분자 사이의 결합(분자간 상호 작용)이 약합니다. 가열하면 쉽게 파괴됩니다. 이러한 이유로 분자 구조의 물질은 녹는점과 끓는점이 비교적 낮고 휘발성입니다(그 결과 종종 냄새가 납니다).
비분자 구조의 물질전기적으로 중성인 원자나 단순 또는 복합 이온으로 구성됩니다. 예를 들어 다이아몬드, 흑연, 흑린, 규소, 붕소는 전기적으로 중성인 원자로 만들어지고, 염은 KF, NH4NO3처럼 단순이온과 착이온으로 만들어진다. 금속은 양전하를 띤 원자(양이온)로 구성됩니다. 카보런덤 SiC, 산화규소(IV) SiO 2, 알칼리(KOH, NaOH), 대부분의 염(KCl, CaCO 3), 비금속과 금속의 이원 화합물(염기 및 양쪽성 산화물, 수소화물, 탄화물, 규화물, 질화물, 인화물) ), 금속간 화합물(금속끼리의 화합물). 비분자 구조의 물질에서는 개별 원자 또는 이온이 강한 화학 결합으로 서로 연결되어 있으므로 정상적인 조건에서 이러한 물질은 고체이고 비휘발성이며 녹는점이 높습니다.
예를 들어, 자당(분자 구조)은 185°C에서 녹고, 염화나트륨(비분자 구조)은 801°C에서 녹습니다.
기체상에서는 모든 물질이 분자로 구성되어 있으며, 심지어 상온에서는 비분자 구조를 갖는 물질도 있습니다. 예를 들어, 고온에서는 NaCl, K 2 및 SiO 2 분자가 기상에서 발견되었습니다.
가열하면 분해되는 물질(CaCO 3, KNO 3, NaHCO 3)은 가열해도 분자를 얻을 수 없습니다.
분자 물질은 유기 세계의 기초를 형성하고, 비분자 물질은 무기(광물) 세계의 기초를 형성합니다.
화학식. 공식 단위. 화학 방정식
모든 물질의 구성은 화학식을 사용하여 표현됩니다. 화학식는 화학 원소의 기호와 숫자, 알파벳 및 기타 기호를 사용하여 물질의 질적, 양적 구성을 보여주는 이미지입니다.
비분자 구조의 단순한 물질의 경우 화학식은 화학 원소의 기호(예: Cu, Al, B, P)와 일치합니다. 단순한 분자 구조의 공식에서 (필요한 경우) 분자의 원자 수(O 3, P 4, S 8, C 60, C 70, C 80 등)를 표시하십시오. 희가스의 공식은 항상 He, Ne, Ar, Xe, Kr, Rn이라는 하나의 원자로 작성됩니다. 화학 반응 방정식을 작성할 때 단순 물질의 일부 다원자 분자의 화학식은 (특별히 명시하지 않는 한) 원소 기호(단일 원자)의 형태로 작성할 수 있습니다. P 4 → P, S 8 → S, C 60 → C(오존 O 3, 산소 O 2, 질소 N 2, 할로겐, 수소의 경우에는 수행할 수 없음).
분자 구조의 복잡한 물질의 경우 경험적(단순) 공식과 분자(참) 공식이 구별됩니다. 실험식분자 내 원자 수의 가장 작은 정수비를 나타내며, 분자식- 원자의 진정한 정수 비율. 예를 들어, 에탄의 실제 공식은 C 2 H 6이고 가장 간단한 것은 CH 3입니다. 가장 간단한 공식은 실제 공식에 포함된 원소의 원자 수를 적절한 숫자로 나누어(줄여서) 얻습니다. 예를 들어, 에탄의 가장 간단한 공식은 C와 H 원자의 수를 2로 나누어 얻은 것입니다.
가장 간단하고 진정한 공식은 일치하거나(메탄 CH 4, 암모니아 NH 3, 물 H 2 O) 일치하지 않을 수 있습니다(산화인(V) P 4 O 10, 벤젠 C 6 H 6, 과산화수소 H 2 O 2, 포도당 C6H12O6).
화학식을 사용하면 물질에 포함된 원소 원자의 질량 분율을 계산할 수 있습니다.
물질 내 E 원소 원자의 질량 분율 w는 다음 식에 의해 결정됩니다.
w (E) = A r (E) ⋅ N (E) M r (V) , (1.2)
여기서 N (E)는 물질의 공식에서 해당 원소의 원자 수입니다. M r (B) - 물질의 상대 분자(공식) 질량.
예를 들어 황산 M r (H 2 SO 4) = 98의 경우 이 산의 산소 원자 질량 분율은
w(O) = A r(O) ⋅ N(O) M r(H 2 SO 4) = 16 ⋅ 4 98 ≒ 0.653(65.3%).
공식 (1.2)을 사용하여 분자 또는 공식 단위에 있는 원소의 원자 수를 구합니다.
N(E) = M r(V) ⋅ w(E) A r(E)(1.3)
또는 물질의 몰(상대 분자 또는 공식) 질량:
M r (V) = A r (E) ⋅ N (E) w (E) . (1.4)
공식 1.2-1.4에서 w(E)의 값은 단위 분수로 표시됩니다.
예제 1.3. 특정 물질에서 황 원자의 질량 분율은 36.78%이고, 하나의 화학식 단위에 포함된 황 원자의 수는 2개입니다. 물질의 몰 질량(g/mol)을 지정하십시오.
해결책 . 공식 1.4를 사용하여 우리는 다음을 찾습니다.
M r = A r (S) ⋅ N (S) w (S) = 32 ⋅ 2 0.3678 = 174 ,
M = 174g/몰.
답: 2).
다음 예는 원소의 질량 분율을 사용하여 물질의 가장 간단한 공식을 찾는 방법을 보여줍니다.
예제 1.4. 일부 산화염소에서 염소 원자의 질량 분율은 38.8%입니다. 산화물의 공식을 찾아보세요.
해결책 . w(Cl) + w(O) = 100%이므로,
w(O) = 100% - 38.8% = 61.2%.
물질의 질량이 100g이면 m(Cl) = 38.8g, m(O) = 61.2g입니다.
산화물 공식을 Cl x O y로 상상해 봅시다. 우리는
x : y = n(Cl) : n(O) = m(Cl) M(Cl) : m(O) M(O) ;
x:y = 38.8 35.5: 61.2 16 = 1.093: 3.825.
결과 숫자를 가장 작은 숫자 (1.093)로 나누면 x : y = 1 : 3.5이거나 2를 곱하면 x : y = 2 : 7이됩니다. 따라서 산화물의 공식은 Cl 2 O입니다. 7.
답: Cl 2 O 7.
비분자 구조의 모든 복잡한 물질의 경우, 화학식은 경험적이며 분자가 아닌 소위 공식 단위의 구성을 반영합니다.
공식 단위(FE) - 비분자 구조 물질의 가장 간단한 공식에 해당하는 원자 그룹입니다.
따라서 비분자 구조 물질의 화학식은 공식 단위입니다. 공식 단위의 예: KOH, NaCl, CaCO 3, Fe 3 C, SiO 2, SiC, KNa 2, CuZn 3, Al 2 O 3, NaH, Ca 2 Si, Mg 3 N 2, Na 2 SO 4, K 3 PO 4 등
공식 단위는 비분자 구조 물질의 구조 단위로 간주될 수 있습니다. 분자 구조를 가진 물질의 경우 이는 분명히 실제로 존재하는 분자입니다.
화학 공식을 사용하여 화학 반응 방정식이 작성됩니다.
화학 방정식화학식과 기타 기호(등호, 더하기, 빼기, 화살표 등)를 사용하는 화학 반응의 일반적인 표기법입니다.
화학 반응식은 질량 보존 법칙의 결과이므로 양쪽에 있는 각 원소의 원자 수가 동일하도록 구성됩니다.
수식이 호출되기 전의 숫자 화학량론적 계수, 이 경우 단위는 기록되지 않지만 묵시적으로(!) 화학양론 계수의 총합을 계산할 때 고려됩니다. 화학양론적 계수는 출발 물질이 반응하고 반응 생성물이 형성되는 몰비를 보여줍니다. 예를 들어, 방정식이 다음과 같은 반응의 경우
3Fe3O4 + 8Al = 9Fe + 4Al2O3
n(Fe3O4)n(Al) = 3 8; n(Al) n(Fe) = 8·9 등
반응식에서는 계수가 배치되지 않으며 등호 대신 화살표가 사용됩니다.
FeS 2 + O 2 → Fe 2 O 3 + SO 2
화살표는 유기 물질과 관련된 화학 반응 방정식을 작성할 때도 사용됩니다(등호를 이중 결합과 혼동하지 않기 위해).
CH 2 =CH 2 + Br 2 → CH 2 Br–CH 2 Br,
강한 전해질의 전기화학적 해리에 대한 방정식:
NaCl → Na + + Cl - .
구성 불변의 법칙
분자 구조의 물질에 대해서는 이것이 사실입니다. 구성 불변의 법칙(J. Proust, 1808): 모든 분자 구조 물질은 생산 방법 및 조건에 관계없이 일정한 질적, 양적 구성을 가지고 있습니다.
조성 불변의 법칙에 따르면 분자 화합물에서는 원소의 질량 비율이 엄격하게 정의되어야 합니다. 일정한 질량분율을 가지고 있습니다. 원소의 동위원소 구성이 변하지 않는 경우에도 마찬가지입니다. 예를 들어, 천연 물질로부터의 제조 방법(단순 물질로부터의 합성, 황산구리 CuSO 4 · 5H 2 O의 가열 등)에 관계없이 물 속 수소 원자의 질량 분율은 항상 11.1%입니다. 그러나 중수소 분자(Ar ≒ 2인 수소 핵종)와 천연 산소(Ar = 16)의 상호작용으로 얻은 물에서 수소 원자의 질량 분율은
w(H) = 2 ⋅ 2 2 ⋅ 2 + 16 = 0.2(20%).
조성 불변의 법칙을 따르는 물질, 즉 분자구조의 물질을 말한다. 화학양론적.
비분자 구조의 물질(특히 d족 금속의 탄화물, 수소화물, 질화물, 산화물 및 황화물)은 일정한 조성의 법칙을 따르지 않으므로 이러한 물질을 비분자 구조라고 합니다. 비화학양론적. 예를 들어, 생산 조건(온도, 압력)에 따라 산화티타늄(II)의 조성은 TiO 0.7 –TiO 1.3 범위로 다양합니다. 이 산화물의 결정에는 티타늄 원자 10개마다 산소 원자가 7~13개 있을 수 있습니다. 그러나 많은 비분자 구조 물질(KCl, NaOH, CuSO 4)의 경우 일정한 조성의 편차가 매우 미미하므로 해당 조성이 실질적으로 제조 방법과 무관하다고 가정할 수 있습니다.
상대 분자 및 공식 중량
분자 구조와 비분자 구조의 물질을 각각 특성화하기 위해 "상대 분자 질량"과 "상대 공식 질량"이라는 개념이 도입되었으며 이는 동일한 기호-M r로 표시됩니다.
상대 분자량- 분자 질량이 C-12 핵종 원자 질량의 1/12보다 몇 배나 큰지를 나타내는 무차원 물리량:
M r (B) = m mol (B) u . (1.5)
상대 공식 질량- 공식 단위의 질량이 C-12 핵종 원자 질량의 1/12보다 몇 배나 큰지를 나타내는 무차원 물리량:
Mr(B) = mPU(B)u . (1.6)
공식 (1.5)와 (1.6)을 사용하면 분자 또는 물리적 단위의 질량을 찾을 수 있습니다.
m (mol, FU) = uM r . (1.7)
실제로 M r 값은 개별 원자의 수를 고려하여 분자 또는 공식 단위를 구성하는 원소의 상대적 원자 질량을 합산하여 구합니다. 예를 들어:
M r (H 3 PO 4) = 3A r (H) + A r (P) + 4A r (O) =
3 ⋅ 1 + 31 + 4 ⋅ 16 = 98.