물리화학의 기초 물질

기초지식
 화학은 물질과 그 물질이 일으키는 변화를 연구하는 학문이다. 물리화학은 물리학의 기본 개념과 수학을 이용해서 주제의 원리를 확립시키고 또 발전시키는 화학의 한 분야이다.
물리화학은 새로운 분광학 기법으로 해석법을 발전시키고 분자 구조와 그 상세한 전자 분포를 이해할 수 있게 하고, 또 물질의 거시적 성질을 그 성분 원자들과 연관시킬 수 있게 하였다.
물리화학은 또 화학반응의 세계를 들여다보게 하고, 화학반응이 어떻게 일어나는지를 자세하게 이해할 수 있게 해주었다.
 [물질]
 (1) 원자
 한 원소의 원자는 핵 안에 들어있는 양성자의 수, 즉 원자 번호 Z를 가지고 그 특징을 나타낼 수 있다. 핵 안에 들어있는 중성자의 수는 조금씩 다를 수 있으며, 핵 안에 들어있는 양성자와 중성자의 전체 수를
핵자 수(질량수)라고 약속한다. 원자 번호가 같으면서 핵자 수가 상이한 원자들을 동위원소라고 한다.
 핵모형에 의하면 원자 번호가 Z인 원자는 전하가 +Ze인 핵과 각각 전하가 -e인 Z개의 전자로 되어있다(e : 기본전하). 이들 전자는 원자 궤도함수라고 하는 공간 영역을 점유하는데, 한 궤도함수에는 전자가 2개까지만 들어갈 수 있다.
원자 궤도함수들은 핵 둘레의 껍질 안에 배열되어 있으며, 각 껍질은 고유한 주 양자수(n=1,2,3,..)로 나타낼 수 있다. 껍질 안에는 부껍질이라고 하는 궤도함수가 들어있고, 이 궤도함수들을 n개의 부껍질로 묶는다.
이들 부껍질과 그 속의 궤도함수들을 s, p, d, f 등등의 기호로 나타낸다. 수소를 제외한 모든 중성 원자들의 경우, 한 주어진 껍질 안의 부껍질들은 조금씩 상이한 에너지를 가지고 있다.
 전하를 가지고 있는 원자들을 1 원자 이온이라고 한다. 원자가 1개 이상의 전자를 얻게 되면 음이온이 되고, 1개 이상의 전자를 잃으면 양으로 하전 된 양이온이 된다. 이것은 상대적인 전하로 나타내는 것이다. 
이온이 가지고 있는 전하수를 그 원소의 그 상태에서의 산화수라고 한다. 산화 상태란 특정한 산화수를 가지고 있는 원자의 물리적 상태를 나타낸다. 그리하여 마그네슘 이온의 경우 일반적으로 산화상태에 있을 때 그 산화수가 +2라고 말한다.
원소들은 주기율표상의 위치에 따라 고유한 이온들을 만든다. 금속 원소들은 일반적으로 그의 최외각 껍질 전자를 잃고 그 앞의 0족 기체의 전자 배치를 이루면서 양이온으로 된다.
한편 비금속 원소들은 일반적으로 전자를 얻어서 다음 0족 기체의 전자 배치를 이루면서 음이온으로 된다.
 잇따른 껍질의 궤도함수들이 차례로 점유된 원자들을 원자 번호순으로 나열하면 유사한 전자 배치(점유된 궤도함수)들이 주기적으로 나타나며, 그리하여 주기율표가 나온다.
주기율표의 수직 열을 족이라고 하며, 1부터 18까지 번호를 붙여준다. 또 주기율표에서 잇따른 행들은 주기라고 하는데, 각 주기의 번호는 원자의 원자가 껍질, 즉 최외각 껍질의 주양자수와 같다.
일부 쪽들은 보다 관용 명칭을 가지고 있다:1족은 알칼리 금속, 2족은 알칼리 토금속, 17족은 할로젠, 그리고 18족은 O 족이라고 부른다. 대체로 주기율표의 왼쪽 원소들은 금속, 그리고 오른쪽 원소들은 비금속이라고 하며, 이 두 무리의 원소들은 붕소로부터 폴로늄을 잇는 대각선에서 만나게 된다.
그리고 이 대각선상의 원소들은 금속과 비금속의 중간 성질을 가지며 준금속이라고 한다. 또, 원자의 전자 배치 표시에서 마지막으로 점유되는 부껍질에 따라 주기율표는 s, p, d, f 구역들로 나누게 되는데, d 구역 원소들은 전이 금속이라고 한다. 그리고 f 구역의 원소들은 내부 전이 금속이라고 부르기도 한다.
이 f 구역의 위에 있는 행의 원소들을 란탄족, 그리고 아래 행 원소들은 악티늄족이라고 한다. 
 (2) 분자
 원자들은 화학결합으로 연결되어 있다. 금속 원소들을 포함하는 화합물들은 결코 보편적은 아니지만 대체로 양이온과 음이온이 결정 형태의 배열을 이루고 있는 이온결합 화합물을 만든다. 이온결합 화합물에서의 화학결합은 결정 전체 이온들 사이의 쿨롱 인력에 의한 것이며, 특정한 인접 이온쌍들 사이의 결합이라고 볼 수는 없다.
이온결합 화합물의 최소 단위를 화학식 단위라고 한다. 금속 원소를 포함하지 않는 화합물들은 일반적으로 불연속적 분자들로 이루어진 공유결합 화합물을 만든다. 이 경우에는 한 분자 안의 원자들이 공유결합을 이룬다. 즉 공유 전자쌍으로 이루어진 화합물이다.
일반적으로 일부 화학자들은 이온결합 화합물이나 공유결합 화합물을 막론하고, 대량 물체의 조성을 나타내는 가장 작은 화합물 단위를 분자라고 부른다. 그리하여 NaCl의 분자라는 말을 사용하기도 한다.
공유 결합은 극성일 수 있으며, 즉 전자쌍을 동등하지 않게 공유할 수 있으며, 이에 따라 한 원자는 부분 양전하를, 그리고 다른 한 원자는 부분 음전하를 가질 수 있다. 분자를 이루고 있는 원자가 전자를 자신 쪽으로 끌어당길 수 있는 능력을 그 원소의 전기 음성도라고 한다. 크기가 같고 부호가 반대인 부분 전하들이 나란히 놓인 것을 전기 쌍극자라고 한다.

 인접 원자들 사이의 결합 양식은 Lewis 구조를 그려서 나타낸다. 이 그림에서는 결합을 선으로, 그리고 고립 전자쌍 즉 결합에 이용되지 않는 원자가 전자쌍들은 점들로 나타낸다. Lewis 구조는 원자들마다 전자를 공유케 함으로써 8 전자계를 이루도록 그린다. 한 개의 공유전자쌍은 단일 결합을, 2개의 공유 전자쌍은 이중 결합을, 그리고 3개의 공유 전자쌍은 삼중 결합을 이룬다.
3주기와 그 후의 원소들의 원자들은 원자가 껍질에 9개 이상의 전자를 수용할 수 있으며, 그리하여 확장된 8 전자계의 초 원자가 계를 이룰 수 있다. 즉 8 전자계 규칙이 허용하는 것 이상의 결합을 형성하거나, 또는 적은 수의 원자들에다 많은 결합을 형성케 하는 것이다. 한 주어진 원자 배열에 대응해서 1개 이상의 Lewis 구조가 가능할 때는 이들 구조가 혼성된 공명 구조가 생겨서 
분자 전체에 걸친 다중 결합 특성이 나타난다고 생각한다.