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화학/화학이야기

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현대적 원자 모형 : 오비탈과 양자수 * 본문 내용은 고등학교 화학1을 공부하는 학생을 대상으로 작성한 글입니다. 최대한 파동함수 언급 없이 오비탈 개념을 설명하다 보니 본질에서 벗어난 비유적 표현/용어들이 사용되었음을 감안해주시면 감사하겠습니다. 현대적 원자 모형 : 오비탈과 양자수 1. 무엇을 학습해야 할까? * 공부를 할 때, 세부 단원에서 내가 최종적으로 성취해야 할 목표가 무엇인지 정확하게 아는 것은 굉장히 중요하다. 수업을 시작할 때, 선생님들께서 학습 목표를 소리 내어 읽게 하거나 칠판에 적는 행위들은 그저 시간을 보내기 위함이 아니라 '이번 시간을 통해 성취해야 하는 목표가 이것이다!'라는 것을 사전에 알리는 의미다. * 2015개정 교육과정에는 성취기준이 함께 제시되어 있다. 성취기준은 개별 학교 실정과 특성에 맞게 교사 개..
화학사 이야기 - 라부아지에의 산소 이론 (2) 라부아지에의 산소 이론 (Oxygen Theory of Combustion) (2) 본문은 링크의 내용과 연결되어 있습니다. https://stachemi.tistory.com/118 화학사 이야기 - 라부아지에의 산소 이론 (1) 라부아지에의 산소 이론 (Oxygen Theory of Combustion) (1) 1. 근대 화학의 아버지 2015 개정 교육과정을 기준으로 6 학년에 연소 반응이 처음 등장하며, 9 학년(중3)에 화학 반응과 질량 보존의 법칙을 다룬 stachemi.tistory.com 4. 산소 이론(Oxygen Theory of Combustion) 가. 보일의 실험 라부아지에는 가열산화(연소) 과정에 공기가 관여한다는 사실은 의심했지만, 관여하는 것이 공기 그 자체인지, 공기 속에 ..
화학사 이야기 - 라부아지에의 산소 이론 (1) 라부아지에의 산소 이론 (Oxygen Theory of Combustion) (1) 1. 근대 화학의 아버지 2015 개정 교육과정을 기준으로 6 학년에 연소 반응이 처음 등장하며, 9 학년(중3)에 화학 반응과 질량 보존의 법칙을 다룬다. 즉, 연소 반응의 관찰, 연소의 조건, 연소 생성물, 반응 전후 양적 관계 등은 고등학교 이전에 배울만 하다고 판단한 것이다. 지금 우리가 '연소'를 비교적 가벼운 화학 반응이라 생각하는 것과는 달리, 18 세기까지는 쉽게 이해할 수 있는 대상이 아니었다. 당시 4원소설과 플로지스톤설이 주된 이론으로 자리잡고 있었으며, 그러한 이론과 해석이 당연하게 받아들여지던 시기였다. 그러나 당시 사람들의 생각을 바꿔놓는 데에는 20 년이 채 걸리지 않았다. 이 과정에서 빼놓을 ..
화학사 이야기 - 플로지스톤설 (phlogiston theory) 화학사 이야기 - 플로지스톤설 (phlogiston theory) 1. 연소 반응 (combustion reaction) 연소란, 간단히 말해 물질이 타는 현상이다. 화학적으로 표현하면, 물질이 산소(O2)와 반응하여 열과 빛을 내는 현상이다. 일종의 산화(oxidation) 반응이다. 오래 전부터 연소 반응을 통해, 어떤 물질을 더 간단한 물질로 분해할 수 있다는 것은 잘 알려져 있는 사실이었다. 화학 이론 체계화의 기초를 마련했다고 여겨지는 독일의 화학자 요한 베허(Johann Joachim Becher, 1635-1682, 그림1)는 연소 반응을 자신의 물질론과 연관지어 설명했다. 베허는 물질이 '공기'와 '물', 그리고 '세 종류의 흙'으로 구성되었다고 주장했으며, 연소가 일어나면 물질을 구성하는..
몰과 아보가드로수 (mole & Avogadro's Number) 몰과 아보가드로수 (mole & Avogadro's Number) 화학은 물질의 성질과 변화(반응)를 다루는 과학 영역 중 하나이다. 화학을 학습하는 목적은 물질을 이해하는 데 있으며, 이에 화학자들은 물질에 대한 질문을 던지고 물질의 관점에서 답을 찾는다. 오랜 기간 동안 "물질이 무엇으로 이루어져 있는가?" 라는 질문은 해결하기 어려운 과제였다. 하지만 현재의 우리는 아리스토텔레스의 4 원소설이나 슈텔의 플로지스톤설을 믿지 않고, 물질은 원자(atom)라고 하는 매우 작은 단위 알갱이로 구성되어 있다는 사실을 알고 있다. 물질을 구성하는 기본 알갱이는 118 가지가 있으며, 각각을 대표하는 기호가 있다. 수소는 H, 탄소는 C, 산소는 O로 표현된다. 이러한 알갱이의 종류를 뜻하는 용어가 바로 원소(..
상 경계 (Phase Boundary) 상 경계 (Phase Boundary) 앞선 상 전이의 열역학적 양상에 대한 글을 통해 상 변화 과정에서의 깁스 자유에너지(화학 퍼텐셜) 변화를 살펴보았으며, 압력 변화와 온도 변화 두 가지 요인에 의한다는 것을 알게 되었다. 특히 일정 압력 하에서 온도 변화에 따른 깁스 자유에너지는 그 상의 엔트로피에 의존하며, 일정 온도 하에서 압력 변화에 따른 깁스 자유에너지는 그 상에 몰부피에 의존함을 알게 되었다. 이번에는 상 전이 도표 상에서 상 경계가 갖는 의미가 무엇인지를 살펴보고, 액체-기체, 고체-액체, 고체-기체 상 변화에서 상 경계가 갖는 특징을 살펴보고자 한다. 1. 액체-기체 상 경계 다음 그림은 물의 상 경계를 보여주는 그래프이다. 특히 물과 수증기(액체와 기체) 사이 상경계 곡선 위의 압력 ..
반 데르 발스 기체식과 임계상수 반 데르 발스 기체식과 임계 상수 본 글에서 작성될 내용은 이전에 작성한 다음 글들과 연결됩니다. 29. 이상기체와 실제기체(ideal gas & real gas) 31. 반 데르 발스 기체식(van der Waals' Gas Equation) 0. 들어가기 실제 기체와 이상 기체는 차이점을 갖는다. 이에 모든 압력, 온도 구간에서 이상기체 상태방정식을 실제 기체에 그대로 적용시킬 수 없다. 다음은 지난 글의 내용 중 필요한 부분을 간단히 나타낸 것이다. 이상 기체는 실제 기체와 달리 분자 사이에 어떠한 상호작용도 하지 않는다. 또한 모든 온도, 압력 조건에서 기체로 존재해야 하므로 상변화(액화, 기화, 승화)는 고려하지 않는다. 실제 기체와 이상기체의 상호작용 유무에 의한 차이는 압축인자(z)를 통해 ..
수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (2) 수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (2) [수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (1)] https://stachemi.tistory.com/73 지난글을 통해 1개의 전자만을 갖는 수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식의 좌표계 변환과 변수 분리를 통해 세 가지 방정식으로 표현할 수 있음을 알게 되었다. 1. Φ - 방정식의 해 : Φ (φ) 위의 세 방정식 중에 φ 에 관한 방정식 해(일반식)를 구하는 과정이 가장 쉽다. φ 에 관한 방정식의 해 Φ 는 φ 에 대해 두 번 미분했을 때, 본래의 자신인 Φ 와 - m2의 곱한 형태를 가져야 한다. 이 방정식의 해는 e(imφ) 와 e-(imφ)이다. 따라서 정규화가 이루어지지 않은 φ-방정식의 일반해는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 파동함수는 확률함수이므로, 모..
수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (1) 수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (1) 양자물리학의 가장 큰 성공은 수학적으로 원자의 구조를 완전히 설명할 수 있다는 것이다. 하지만 모든 원자를 수학적으로 완전히 풀어낼 수 있는 것은 아니다. 오직 수소꼴(Hydrogen-like) 원자만이 가능하다. 전자가 두 개 이상인 경우에는 핵과 기존 전자 사이의 상호작용 외에 다른 전자의 영향까지 고려해야하기 때문에 완전히 풀어내기 쉽지 않다. 수소(1H), 중수소(2D), 삼중수소(3T), 헬륨 양이온(He+), 리튬 2가 양이온(Li2+)은 모두 원자핵과 전자 하나로 이루어져 있으며, 수학적으로 구조를 설명할 수 있다. 이를 수소꼴 원자 또는 이온이라 한다. 이처럼 하나의 전자가 원자핵 주위를 돌고 있는 수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식은 다음과 같다. 이..
배위 화학 (Coordination Chemistry) - 결합 (2) 배위 화학 (Coordination Chemistry) - 결합 (2) 배위화학 - 서론 : [바로가기 링크] https://stachemi.tistory.com/56 배위화학 - 결합 (1) VBT : [바로가기 링크] https://stachemi.tistory.com/57 2. 결정장이론 (Crysral Field Theory, CFT) 2.1. 배경 독일의 한스 베테(Hans Bethe, 1906-2005)가 1929년에 제안한 결정장 이론(Crystal Field Theory, CFT)은 착물의 결합 설명에 큰 변화를 가져왔다. 결정장 이론은 리간드와 중심 금속 사이의 순수한 정전기적 상호작용에 근거를 둔 방법이다. 이는 금속과 리간드 사이의 결합을 순수한 이온결합으로 가정한 것이며, 금속 이온..
배위 화학 (Coordination Chemistry) - 결합 (1) 배위 화학 (Coordination Chemistry) - 결합 (1) 배위화학 - 서론 : [바로가기 링크] https://stachemi.tistory.com/56 베르너는 착물의 구조를 정팔면체라고 제안하였으며, 이를 착물의 이성질체 개수와 광학이성질체의 존재 여부 등을 통해 뒷받침하였다. 그렇다면, 착물을 이루는 중심금속과 주위의 리간드들은 어떤 방식으로 결합을 하는 것일까? 착물의 결합을 설명하는 것은 그다지 간단한 일이 아니었으며, 결합의 성질을 보다 합리적으로 설명하고, 예측하고자 많은 연구가 이루어졌다. 착물에 대한 결합 이론은 무엇보다 착물이 보여주는 실험적 특징들을 잘 설명할 수 있어야 했다. 1. 원자가결합이론 (Valence Bond Theory, VBT) 1902년 미국의 길버트 ..
배위 화학 (Coordination Chemistry) - 서론 배위 화학 (Coordination Chemistry) - 서론 배위 화학이란, 배위 착물(coordination complex)을 다루는 화학의 한 영역이다. 일반적으로 착물 화학(complex chemistry)과 거의 같은 의미로 사용되며, 이는 주요 연구 대상이 착물과 착이온(complex & complex ion)이기 때문이다. 일반적으로 배위 착물 중심에는 금속 또는 금속 이온이 자리잡고 있으며, 이 금속 주위를 리간드(ligand)라고 불리는 분자 또는 이온들의 집단이 둘러싸고 있는 형태를 갖는다. 특히, 배위 화학에서는 전이금속(transition metal)과 리간드 사이의 결합을 통해 만들어진 착물을 다루는 것이 일반적이다. 1. 역사 배위 착물은 현대 화학이 시작한 이후에 알려지기 시..

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