[주기율표_산화와 연소 그리고 화재]

1. 주기율표

주기율표는 러시아 드미트리 멘델레예프가 고안한 표로 순서와 위치로 화학의 성질을 체계화 한 것이다. 

주기율표가 만들어지기 이전 원소의 화학성은 체계화 되어 있지 않은 것처럼 인식되었으나 주기율표의 사용으로 원소와 화학의 규칙성을 체계화 한 것에 큰 의미가 있다. 

(1) 원소와 원자 

1) 원소(element)는 원자번호에 의해서 구별되는 한 종류만의 원자로 만들어진 물질 및 그 홑 원소물질의 구성요소를 모두 말한다. 

두 가지 종류 이상 

2) 원자는 화학 원소의 특성을 잃지 않는 범위에서 도달할 수 있는 물질의 기본적인 최소 입자를 말한다. 

3) 원자의 구성 

원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있으며, 한 원자를 구성하는 양성자와 전자 수가 같으므로 원자는 전지적으로 평형을 이루는 중성이다. 이 양성자의 수에 따라 원자번호가 결정되는데 이는 같은 수의 전자를 가지려 노력하므로 평형상태에서는 전자의 수에 따른다고 볼 수 있다. 

원자핵을 중심으로 전자가 자전과 공전을 하게 되는 데 이 범위의 분포를 전자구름이라 하며, 에너지 준위의 개념에서 오비탈로 표현되기도 한다. 

4) 이온 

기본적으로 원자는 전하를 가지지 않는다. 즉 전자를 더 가지고 있거나 잃어버리지 않은 한 중성적이다. 전자를 더 얻거나 잃어버린 경우 전하를 얻어 양이온 또는 음이온이 형성된다. 이러한 이온의 상태는 원래의 원소 성질과 달리 달라지게 된다. 

5) 화합물 

두 가지 이상 원자를 가지고 형성된 물질을 말한다. 

 

(2) 원자량과 분자량

1) 원자량, 분자량 

원자량은 원자 하나의 값을 말하는 것으로 상대적인 값으로 차원이 없는 것이나 화학양론에서 계산을 할 때 몰(mole 기호는 [mol])의 개념을 대입하여 몰 질량을 이용한다. 이때 동위 원소의 종류가 많기 때문에 평균 원자량으로 규정된 표준 원자량을 사용하게 된다. 

원소의 무게를 대부분 차지하는 양성자의 개수=전자의 개수와 비례하게 되므로 원자번호를 알면 대략적인 원자량을 추정할 수 있다. 분자량은 구성하는 원자량의 합이다. 

2) 아보가드로 상수와 몰수

가. 아보가드로 상수 (영어: Avogadro constant)는 입자수를 몰질양과 관계짓는 비례상수로 기체의 종류와 상관없이 같은 압력 같은 온도에서 일정 부피에는 모두 같은 수의 입자가 존재한다는 법칙이다. 

나. mole[mol]은 몰질량(amount of substance)의 단위

어떤 입자가 아보가드로 수 ≒ 6.022X 10^23개 만큼 있을 때 이것을 하나로 묶어 1몰이라고 정의한다. 

1[mol] ≒ 6.022 X 10^23이며, 표준상태에서 22.4L의 부피를 차지한다. 그러므로 몰의 개념은 개수의 단위이며, 원소의 종류와 관계없이 부피를 알 수 있고, 원자의 특성에 따라 무게를 측정할 수 있는 SI단위이다. 

 

2. 산화와 연소 그리고 화재 

(1) 화학적 개념

화화학적으로 화재, 연소, 산화는 같은 개념이다, 환원은 반대 입장에 서 있는 개념

1) 전자를 잃는 경우 2) 수소를 잃는 경우 3) 산소를 받는 경우를 말한다. 

(2) 구분 

1) 연쇄반응의 속도에 따라 연소와 산화를 구분한다. 

2) 인간의 통제 여부에 따라 연소와 화재를 구분한다. 

 

(3) 연소의 4요소 

1) 가연물(=유기물) cf 유기물 C.H.O 자기반응성물질, 유기화합물 

2) 산화제(=산소공급원) cf산화제는 산소공급, 수소를 뺏는 것 (염소는 산화제임 수소를 뺃), 전자를 뺏는 것 

3) 점화원 (=활성화에너지) cf.인화점 (불을 끌어당김, 불씨만 있으면  가연물이 불을 끌어당겨 불씨만 있으면 불이 붙는 최저 온도가 인화) 발화점 (보통 인화점보다 10도씨 높음 발화점은 스스로 불이 붙는 최저온도) 

4) 순조로운 연쇄반응(=화학적연쇄반응) 

 

3. 족과 주기 (1) 원자가전자  가전자라고도 한다. 원자의 가장 바깥껍질에서 화학반응에 참여 가능성을 가진, 가치를 가진 전자의 수를 의미한다. 옥댓 법칙의 화학손과 관계된다.  (2) 전자껍질과 최외각전자: 최외각전자는 원자를 구성하는 전자 중 가장 바깥 쪽에 있는 궤도전자를 의미한다. 이 최외각 전자가 돌면서 만드는 궤도를 전자 껍질이라 하는데 오비탈과 비슷한 개념으로 오비탈은 수학적 활률 함수 이다.  원자가전자와 최외각전자껍질의 전자의 수가 원소의 화학적 성질을 결정한다.  (3) 주기: 주기율표에서 표의 가로줄을 주기(period)라고 한다.  주기가 의미하는 것은 같은 겹의 전자껍질의 수를 의미하는데 가로로 인전합 원소끼리는 질량이 비슷하다. 또한, 주기가 많아진다는 것은 원자핵으로부터 전자의 거리가 멀어짐을 의미하며, 전기력이 약해진다는 뜻이다. 이런 점은 전자친화도 및 이온화에너지와 밀접한 관계가 있다.  (4) 이온화에너지와 전자친화도  1) 이온화에너지(Ionization energy) : 이온화에너지는 원자나 분자에서 전자를 떼어내는데 드는 에너지를 말한다. 이온화 에너지가 작을 수록 더 위험할 수 있다고 해석될 수 있다. 주기가 감소하고 족이 증가할 수록 이온화에너지가 커진다. 2) 전기음성도( Electronegativity )는 한 원자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 정도이다. 전기 음성도가 높을 수록 원자가전자를 더 끌어 당긴다. 이온화에너지와 비슷한 개념으로 볼 수 있다. 불소가 가장 크다.  3) 전자친화도 (electron affinity)는 원자나 분자가 전자를 하나 얻어 에너지준위가 낮아지면서 방출하는 에너지를 말한다. 주기가 증가하고 족이 감소할 수록 (전자의 개수가 적어지고 원자핵전하가 작아지는 영향) 전자친화도는 커지고, 전자친화도가 클수록 위험도는 증가한다. 또한, 원자와 전자의 거리 즉 원자 반지름이 증가할 수록 위험하다는 해석을 가질 수 있다.  원자반지름 증가 -> 전자친화도 증가 -> 위험도 증가  (5) 족 1) 족: 주기율표에서 세로로 같은 줄에 있는 화학 원소들을 묶어 족(group)이라고 부른다. 표준주기율표에는 18개의 족이 있고,  단주기율표에는 8개의 족으로 본다.  같은 족에 속하는 원소들 간에는 화학적으로 비슷한 성질이 있다. 이는 최외각전자의 수 (원자가전자, 화학손)와 관계가 있다.  (6) 옥댓의 법칙 주기율표상 원자들과 분자들은 화학손이 0인 상태 즉 원자가전자가 0인 평형상태를 추구한다. 최외각전자가 8개로 채워지면 더 이상 반응하지 않는 불활성 안정상태로 되는데 모든 화학구조는 이를 향해 전자의 입출입을 추구한다고 생각한 개념 예를 들어 이온화에너지가 큰 물질들은 전자친화도가 높은 물질과 결합하여 8개의 옥댓을 완성하고자 하는 욕구를 말한다.  (7) 산화수의 의미 산화수(oxidation number)는 화학에서 산화.환원 반응을 설명하기 위해 도입된 개념 물질 속 원자에 걸리는 상대적 전화량을 나타내는 수치이다.  예) H2O의 경우, 전기음성도가 큰 산소원자가 공유전자쌍을 차지한다고 가정하면 2[H+][O2-]가 되며, 따라서 수소는 전자를 빼앗기는 입장으로 산화수가 +1씩이며, 산소는 전자를 빼앗는 입장으로 산화수 -2 이다. 여기서 수소는 전자친화도가 높기 때문에 방출하는 에너지가 크다.

4. 최소활성화에너지   cf) 점화원 (1) 활성화에너지 (activation energy)는 화학 반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 말한다.  화학반응이 순조롭게 진행되려면 입자의 유효충돌이 많아야 하고 입자 자체가 일정한 양 이상의 에너지를 보유하고 있어야 하는데, 이 일정한 에너지가 바로 활성화 에너지 이다.  (2) 이 활성화 에너지는 연소의 4요소 중 순조로운 연쇄반응에 영향을 미친다. 활성화에너지가 작으면 반응속도는 빨라진다.  활성화 에너지에 영향을 미치는 요인으로는 촉매가 있다. 촉매에는 정촉매와 부촉매가 있으며, 정촉매는 반응의 활성화에너지를 낮추어 그 반응을 더 빨리 일어날 수 있게 만들고 부촉매는