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화학 11, 주기 시스템 이해

서울오픈스테이지 2022. 5. 10. 01:34

물리학의 발전은 이제 주기 체계를 이해하는 방식에 지대한 영향을 끼쳤다. 현대 물리학에서 가장 중요한 두 이론은 아인슈타인의 상대성 이론과 양자 역학이다.

이것들 중 첫번째는 주기적인 시스템에 대한 우리의 이해에 제한적인 영향을 미쳤지만 원자와 분자에 대한 정확한 계산에서 점점 더 중요해 지고 있다. 상대성을 고려해야 할 필요성은 물체가 빛과 가까운 속도로 움직일 때마다 발생한다. 내부 전자들, 특히 주기적인 시스템 안의 무거운 원자들 안의 전자들은, 그러한 상대적인 속도를 쉽게 얻을 수 있습니다. 특히 원자의 경우 정확한 계산을 수행하기 위해서는 상대적인 보정을 도입하는 것이 중요하다. 게다가, 금의 특징적인 색깔이나 수은의 유동성 같은, 겉으로 보기에 평범한 많은 원소들의 특성들은 빠르게 움직이는 내부 전자들 때문에 상대적인 효과로 가장 잘 설명될 수 있습니다.

그러나 그것은 이론적으로 주기 체계를 이해하려는 시도에서 지금까지 훨씬 더 중요한 역할을 수행해 온 현대 물리학의 두번째 이론이다. 양자 이론은 사실 1900년에 탄생했다. 이것은 주기율 표의 어떤 그룹에서든 원소들 사이의 유사성을 동일한 수의 외부 전자를 가진 것으로 설명할 수 있다는 개념을 추구한 닐스 보어에 의해 처음 적용되었습니다. 전자 껍질에 있는 특정 수의 전자에 대한 바로 그 개념은 본질적으로 양자 같은 개념이다. 전자는 에너지의 특정 양자 또는 패킷과 연관되어 있으므로 원자의 핵 주위에 있는 하나 또는 다른 껍질에 놓여 있다(7장 참조).

보어가 원자에 양자를 도입한 직후, 많은 다른 사람들은 오래 된 양자 이론이 양자 역학을 발생시킬 때까지 그의 이론을 발전시켰다. 새로운 설명에 따르면, 전자는 입자만큼 파동으로 간주된다. 심지어 낯선 사람은 전자가 더 이상 핵 주위의 명확한 궤도 또는 궤도를 따르지 않는다는 개념이다. 대신에, 그 묘사는 이른바 궤도를 차지하고 있는, 속이 비어 버린 전자 구름에 대한 이야기로 바뀐다. 주기적인 시스템에 대한 가장 최근의 설명은 그러한 유기물이 얼마나 많은 수가 전자에 의해 축적되는가에 관한 것이다. 설명은 원자의 전자 배열, 즉'구성'에 따라 달라지는데, 원자는 그것의 궤도를 점유하는 관점에서 설명된다.

여기서 제기된 흥미로운 질문은 화학과 현대 원자 물리학, 특히 양자 역학의 관계이다. 대부분의 교과서에서 강화된 일반적인 견해는 화학은 단지 물리학의 ' 깊은 내면'일 뿐이고 모든 화학적 현상, 특히 주기적인 시스템은 양자 역학에 기초하여 개발될 수 있다는 것이다. 그러나 이러한 견해에는 몇가지 문제점이 있으며, 이를 고려할 것이다. 예를 들어, 주기적 시스템에 대한 양자 기계적 설명은 여전히 완벽하지 않다고 제안될 것이다. 화학 교과서들, 특히 가르치는 것을 목표로 한 교과서들은 주기 체계에 대한 현재의 설명이 본질적으로 완전하다는 인상을 주기 때문에 이것은 중요하다. 논의될 것처럼 이것은 사실이 아니다.

주기적인 시스템은 아마도 자연 도태에 의한 다윈의 진화론과 비교할 수 있을 정도로 현대 과학 전체에서 가장 생산적이고 통합적인 생각들 중 하나로 자리잡고 있다. 수많은 사람들의 연구를 통해 거의 150년 동안 진화한 후에, 주기율 표는 화학 연구의 중심에 남아 있다. 이는 주로 원소의 모든 화학적, 물리적 특성과 결합 형성 가능성에 대한 예측을 할 때 매우 실질적인 이점이 있기 때문이다. 100개 이상의 원소의 특성을 배워야 하는 대신, 현대의 화학자, 또는 화학의 학생은 8개의 주요 그룹의 대표적인 구성원들과 전이 금속과 란타노이드 그리고 활성화된 원소들의 그것들의 특성을 아는 것으로부터 효과적인 예측을 할 수 있습니다.

주제적인 기초를 마련하고 핵심 용어들을 정의한 우리는 이제 18세기와 19세기에 시작된 현대적인 주기 체계의 발전에 대한 이야기를 시작할 것이다.

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