원자의 화학적 행동을 결정하는 전자

원자의 화학적 거동의 열쇠는 궤도상에서의 전자 배열에 있습니다. 원자의 보어 모델처럼 개별 전자를 중심핵을 중심으로 한 이산적인 원궤도로서 시각화하는 것은 편리합니다. 하지만 이런 단순한 그림은 현실적이지 않습니다. 개별 전자의 위치를 언제든지 정확하게 특정할 수 없습니다. 사실 특정 전자는 원자핵에 가까운 것부터 무한히 먼 것까지 어느 순간 어디에나 존재할 수 있습니다.

그러나 특정 전자는 다른 전자보다 어떤 위치에 위치할 가능성이 높습니다. 전자가 발견될 가능성이 가장 높은 핵 주위의 영역은 그 전자의 궤도라고 불립니다. 핵 부근의 전자궤도 중에는 구형(s궤도)인 것도 있고 아령형(p궤도)인 것도 있습니다. 그래도 핵에서 더 먼 다른 궤도는 다른 형태를 하고 있을지도 모릅니다. 그 형상에 관계없이 어떤 궤도도 2개 이상의 전자를 포함할 수 없습니다.

원자 부피의 대부분은 공허한 공간입니다. 왜냐하면 전자는 그 크기에 비해 핵에서 많이 떨어져 있기 때문입니다. 만약 원자핵이 사과만 한 크기라면 가장 가까운 전자의 궤도는 1600m 이상 떨어져 있을 것입니다. 그 결과, 2개의 원자핵은 자연계에서 서로 상호작용하기에 충분히 가까워지지는 않습니다. 이러한 이유로 원자의 양성자나 중성자가 아닌 전자가 그 화학적 거동을 결정합니다. 이것은 또한 모든 전자 배열이 같은 원소의 동위원소가 화학적으로 똑같이 행동하는 이유를 설명합니다.

 

세포를 이루는 원자

 

원자 내의 에너지

모든 원자는 에너지를 가지고 일을 할 수 있는 능력으로 정의되어 있습니다. 전자는 양전하를 띤 핵에 끌어당기기 때문에 중력에 항거하여 자몽을 손에 쥐는 작업이 필요한 것과 마찬가지로 그것들을 궤도에 올리는 작업이 필요합니다. 자몽은 그 위치에 따라 잠재적인 에너지, 일을 하는 능력을 가지고 있다고 알려져 있습니다. 방출하면 자몽이 떨어져 에너지가 감소합니다. 반대로 자몽을 건물의 상부로 이동시키면 그 잠재적인 에너지가 증가합니다. 마찬가지로 전자는 위치의 잠재력을 가지고 있습니다.

핵의 흡인에 반대하고 전자를 더 먼 궤도로 이동시키기 위해서는 에너지 입력이 필요하며, 더 큰 잠재력을 가진 전자를 얻을 수 있습니다. 이것이 엽록소가 광합성 중에 빛으로부터 에너지를 포착하는 방법입니다. 전자를 핵에 가깝게 만들면 반대의 효과가 있습니다. 에너지는 보통 열로 방출되고 전자는 더 적은 잠재력으로 끝납니다. 주어진 원자는 특정 이산적인 양의 에너지만 가질 수 있습니다. 단계별 계단에서 자몽의 퍼텐셜 에너지와 마찬가지로 원자 속 전자의 위치에 따라 기여하는 퍼텐셜 에너지는 일정한 값밖에 가질 수 없습니다.

 

모든 원자는 가능성의 연속 스펙트럼이 아닌 잠재적인 에너지 값의 사다리를 핵으로부터 특정 거리에 있는 궤도의 이산 세트를 나타냅니다. 몇 가지 화학반응 동안 전자는 한 원자에서 다른 원자로 이동합니다. 이러한 반응에서 전자의 손실을 산화라고 부르고 전자의 이득을 환원이라고 부릅니다. 이렇게 전자가 전달될 때 전자는 그 위치의 에너지를 유지하는 것을 인식하는 것이 중요합니다. 유기체에서 화학 에너지는 산화와 환원을 동반하는 반응인 원자에서 다른 원자로 이동하는 고에너지 전자에 저장됩니다.

전자가 가진 에너지의 양은 핵으로부터의 거리와 관계되어 있기 때문에 비록 다른 궤도를 차지하더라도 핵으로부터 같은 거리에 있는 전자는 같은 에너지를 가집니다. 이 전자들은 같은 에너지 준위를 차지하는 것으로 알려져 있습니다. 원자의 모식도에서는 핵을 작은 원으로 나타내고 전자에너지준위를 동심원으로 그려 핵으로부터의 거리에 따라 에너지준위가 증가합니다. 전자의 에너지를 나타내기 위해 고리로 그려지는 에너지 준위와 다양한 3차원 형상을 가지며 전자의 가장 가능성이 높은 위치를 나타내는 궤도를 혼동하지 않도록 주의합니다. 전자는 궤도라고 불리는 경로로 핵을 주회 합니다. 어떤 궤도도 두 개 이상의 전자를 포함할 수 없지만, 많은 궤도는 핵과 같은 거리에 있고, 따라서 같은 에너지의 전자를 포함할 수 있습니다.

 

원자의 종류

 

92개의 자연 발생 원소가 있으며, 각기 다른 양성자 수와 전자 배열을 가지고 있습니다. 19세기 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 알려진 원소를 원자 질량에 따라 표에 나열했을 때 그는 모든 과학에서 위대한 일반화 중 하나를 발견했습니다. 멘델레예프는 표 안의 원소들이 화학적 성질의 패턴을 보이며 8개의 원소로 구성된 그룹에서 반복되는 것을 발견했습니다. 이 주기적으로 반복되는 패턴은 테이블의 이름을 부여했습니다. 원소 주기율표 참고.

 

주기율표

멘델레예프가 발견한 8위안소 주기성은 서로 다른 원소의 외부 에너지 준위에서 전자의 상호작용을 기반으로 합니다. 이러한 전자는 원자가 전자라고 불리며, 그 상호작용은 원소의 다른 화학적 성질의 기초입니다.
생명에 있어서 중요한 원자의 대부분에서 외부 에너지 준위는 8개 이하의 전자를 포함할 수 있습니다. 원소의 화학적 거동은 8개의 위치 중 얼마나 충족되어 있는지를 반영하고 있습니다. 외부 에너지 준위(헬륨의 경우 2개의 전자)를 모두 가진 원소는 비활성 또는 비반응이며 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 및 라돈(Rn)을 포함합니다. 이와는 대조적으로 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 등의 외부 에너지 준위에 7개의 전자(최대 8개보다 1개 적음)를 가진 원소는 높은 반응성을 보입니다. 을 얻는 경향이 있음
에너지 레벨을 충족시키기 위해 여분의 전자가 필요합니다. 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)과 같은 외부 에너지 수준에서 전자를 하나만 가진 원소도 매우 반응성이 높아 외부 수준에서 단일 전자를 잃는 경향이 있습니다.

따라서 멘델레예프의 주기율표는 유용한 일반화, 옥텟 규칙(라틴어 옥텟, '8') 또는 8의 규칙으로 이어진다: 원자는 완전한 외부 에너지 준위를 확립하는 경향이 있습니다. 대부분의 화학적 거동은 이 단순한 규칙에서 원자가 양전하와 음전하의 균형을 잡는 경향과 결합함으로써 매우 정확하게 예측할 수 있습니다.

 

원소주기율표

 

 

원소의 분포

지구상에서 자연적으로 발생하는 92개 원소 중 미량(0.01% 이상) 이상의 생물에는 11개밖에 존재하지 않습니다. 이 11 위안소들은 원자 번호가 21 미만이기 때문에 원자 질량이 낮습니다. 표 2.1은 인체 내 다양한 원소의 수준을 나타내고 있으며, 다른 생물의 수준도 마찬가지입니다. 이 표를 보면 생명 시스템에서 원소의 분포는 결코 우연이 아니라는 것을 알 수 있습니다. 유기체의 내부에서 가장 일반적인 원소는 지각에 가장 풍부한 원소가 아닙니다. 예를 들어 실리콘, 알루미늄, 철은 지구 지각의 39.2%를 구성하고 있지만 인체에는 미량이 존재하는 것. 반면 탄소 원자는 인체의 18.5%를 구성하지만 지각의 0.03%에 불과하다는 것.