2학년 2학기 중간고사 - 통합과학

우주 초기의 원소

물질세계의 시작

빅뱅 

가모에 의해 제시된 빅뱅 우주론에 따르면 약 138억년 전의 대폭팔에 의해 시간과 공간이 만들어졌다.

폭팔의 순간 물질을 이루는 가장 기본이 되는 입자가 만들어지며 물질세계가 시작됨

 -> 빅뱅 우주론

빅뱅 이후 우주가 시간에 따라 팽창하며 물질과 에너지가 퍼지고, 이후 은하와 별이 만들어지는 모습을 나타낸 모형

1. 빅뱅 직후 초고온, 초고밀도 상태의 우주는 급격한 팽창으로 식어가며 물질의 기본이 되는 쿼크와 전자가 만들어졌다.

2. 쿼크들이 3개씩 다르게 결합하여 양성자와 중성자라는 입자가 만들어졌다.

-> 양성자 : 양성자 1개는 그 자체로 수소의 원자핵이 된다. 3개의 쿼크가 결합해 +1의 전하를 띤다.

                  양성자의 개수에 따라 원자의 종류가 결정된다.

 -> 중성자 : 3개의 쿼크로 이루어져 있지만 전하를 띠지 않음. 질량은 양성자의 거의 같다.

                   양성자들이 원자핵 속에서 단단하게 뭉쳐 있을 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

3. 당시 우주는 온도가 너무 높아서 양성자와 중성자는 매우 빠르게 운동해 서로 결합할 수 없었다. 

   (수소 원자핵 이외의 원자핵이 만들어 지지 못한 채 전자와 같은 입자들과 함께 있었다.)

 -> 원자 : 원자핵과 전자로 이루어진 구조.

               한 원자 속에 들어있는 양성자의 개수와 전자의 개수가 같으면 전기적으로 중성을 띔

 -> 원자핵 : 양성자와 중성자로 이루어짐. 원자의 질량의 대부분을 차지.

4. 우주의 온도가 낮아지면서 중성자의 일부가 양성자로 바뀌자 양성자의 중성자의 비율이 약 7:1이 되었다.

5. 우주 나이 약 3분에 이르면 우주의 온도가 약 10억 k 이하로 낮아지므로 양성자와 중성자가 단단히 결합할 수 있게 된다. 그 결과 중수소 원자핵이나 3중 수소 원자핵이 만들어진다.

6. 중수소 원자핵과 3중 수소 원자핵이 결합하며 헬륨 원자핵을 만들게 되었다. (빅뱅 핵합성)

7. 빅뱅 핵합성 때문에 중성자와 결합하지 못한 양성자의 수가 더 많아짐

 -> 헬륨 원자핵이 만들어지는 과정이 끝났을때 

     수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 개수비 12:1, 질량비 3 : 1

 

8. 우주는 계속 팽창해 온도가 낮아지고 입자들의 운동 에너지도 작아져 더이상의 핵합성이 일어나지 않게된다.

   약 38만년 후 우주의 온도는 약 3000k가 되고 전자 의 운동 에너지도 작아져 수소 원자핵이나 헬륨 원자핵에 잡혀 수소 원자와 헬륨 원자가 된다.

9. 이때 만들어진 수소와 헬륨 원자는 중력의 영향으로 응축되어 이후 우주의 은하와 별들을 만들게 된다.

 

우주 배경 복사

탄생 직후 빛은 전자와 계속 충돌해 앞으로 나아갈 수 없었다.

우주의 온도가 낮아지면 전기적으로 중성인 원자가 형성되며 빛이 방해를 받지 않고 퍼져나갈 수 있다.

우주 배경 복사의 발견은 빅뱅 우주론을 뒷받침하는 결정적 증거가 되었다.

 

* 빅뱅 우주론이 확립되는 과정 *

허블 : 허블의 관측 결과를 통해 우주가 팽창하고 있다는 사실을 뒷받침하게 됨.

가모 : 우주의 기본 입자 중 수소와 헬륨의 조성을 빅뱅 핵 합성 이론으로 예측할 수 있음을 밝혀냄.

호일 : 빅뱅 이론의 이름을 지어준 사람. 빅뱅 이론을 반대함

펜지어스와 윌슨 : 초기 우주에서 수소와 헬륨 원자 생성 당시 우주를 가득 매웠던 빛을 관측해 우주 배경 복사를 찾dma

 

빛의 분산 : 여러 가지 파장이 섞여 있는 햇빛을 프리즘에 통과시키면 각 파장별로 빛이 분리된다.

스펙트럼 : 빛이 분산되어 생긴 띠. 연속 스펙트럼, 선 스펙트럼, 흡수 스펙트럼이 있다.

연속 스펙트럼 : 무지개처럼 넓은 파장에 걸쳐 연속적으로 퍼진 빛의 띠가 나타나는 스펙트럼

선 스펙트럼 : 검은 바탕에 밝은 선이 나타남. 가열된 기체 구름이 내는 빛을 프리즘에 통과시키면 선 스펙트럼이 나타난다.

흡수 스펙트럼 : 연속 스펙트럼에서 검은 선이 나타나는 스펙트럼. 광원과 관측자 사이에 기체 구름이 있어 특정 파장의 빛을 흡수할 때 일어남.

 -> 원소도 구성 성분과 온도에 따라 특정 파장에서 빛을 방출한다.

 

에너지 준위 : 원자 속 전자들의 위치에 따른 에너지

- 낮은 에너지 준위에 있는 전자가 높은 에너지 준위로 이동하려면 특정한 색의 빛을 흡수해야한다.

- 높은 에너지 준위에 있는 전자가 낮은 에너지 준위로 이동하면 특정한 색의 빛을 방출한다.

- 에너지 준위는 각 원자마다 다양하게 나타나므로 원자마다 고유한 선 스펙트럼이 나타난다.

 

형광등과 햇빛을 분광기로 관찰했을때

-> 햇빛은 연속 스펙트럼을 나타내지만 형광등의 빛은 햇빛과 비슷한 연속 스펙트럼에 몇개의 밝은 선이 나타난다.

 

우주 전역에서는 어떤 원자의 선 스펙트럼이 관측되는가

-> 우주 전역에는 수소와 헬륨의 선 스펙트럼이 관측될 것이다.

가모는 초기 우주에서 만들어진 수소와 헬륨의 질량비가 3:1일거라 하였는데 실제로 선 스펙트럼을 관측하자 수소와 헬륨의 질량비가 대략 3:1이라는 것을 알게 되었다.

무거운 원소의 탄생

우주 배경 복사 : 플랑크 위성의 관측 자료를 바탕으로 작성한 지도. 약 600 μK정도 되는 온도 차이가 우주 전역에서 나타남을 알 수 있다.

-> 이 작은 차이는 초기 우주에 밀도가 높은 부분과 그렇지 않은 부분이 있었음을 뜻한다.

 -> 우주에서 밀도가 좀 더 높은 부분은 중력에 의해 물질이 뭉쳐져있다.

  -> 물질이 뭉쳐진 부분에서 은하가 만들어진다. 은하 안에서 밀도가 높은 부분에서는 온도가 높아져 별이 된다.

   -> 이처럼 별이 태어나고 죽는 과정을 통해 다양한 원소들이 만들어진다.

 

별이 일정한 크기를 유지하는 까닭

별 내부의 수소 핵융합에 의해 발생한 에너지는 기체 물질을 밖으로 밀어냄.

중력은 물질을 끌어당겨 수축하려 함. 이 힘들이 평형을 이루면 일정한 크기를 유지할 수 있다.

 

별의 탄생 과정

1. 별의 탄생 과정에서 수소 기체가 중력 수축을 하면 별 내부 온도가 수천만 k 이상 상승한다.

2. 수소 원자핵 4개가 헬륨 원자핵으로 융합한다.

3. (2)에서 생성된 헬륨 원자핵의 질량은 반응 전 수소 원자핵들의 질량 합보다 작다. 이떄 감소한 질량만큼 에너지가 방출된다.

4. 핵융합 반응은 원료인 수소가 공급되는 동안 계속된다. 핵융합이 계속되면 별의 중심부에는 헬륨이 점점 많아지고 수소의 양은 적어진다. 

5. 결국 중심부의 수소가 소진되면, 수소 핵융합이 일어나지 않게 되며, 기체가 별 내부에서 밖으로 밀어내는 힘이 줄어든다.

6. 따라서 별의 안쪽은 급격히 수축하지만 바깥부분은 급격히 팽창하고 밝아진다. 이 단계에선 중력 수축에 의해 중심부의 온도가 매우 높아져 헬륨 원자핵이 탄소 원자핵으로 융합할 수 있게 된다.

7. 이 과정을 거치며 탄소가 산소로, 산소가 네온으로, 네온이 마그네슘으로, 이후 철까지 만들어진다.

8. 내부 핵융합은 철이 만들어지면 더 이상 일어나지 않는다. 철보다 더 무거운 원자핵을 만들기 위한 핵융합 반응에서는 에너지를 방출하지 않고 오히려 주변 에너지를 흡수하기 때문이다.

 

초신성 : 질량이 큰 별이 급격히 폭발해 매우 밝아지는 별

 

원시 태양계의 형성

1. 질량이 태양보다 10배 이상 큰 별은 내부에서 철까지 만들고 핵융합을 중단한 이후에도 중력에 의해 계속 수축한다.

2. 철의 원자핵이 중력에 의한 수축을 견디지 못하면 별은 대규모 폭팔을 하게 된다.

3. 초신성이 폭팔할때는 별의 구성 물질 대부분을 밖으로 내뿜어 주위엔 가스와 먼지 등이 남는다.

4. 약 50억년 전에 지금의 태양계 부근에서 초신성이 폭팔해 흩어진 무거운 원소들과 저온의 기체등이 모여 태양계 성운이 형성되었다.

5. 태양계 성운은 중력의 영향으로 점차 수축해 중심부가 점점 더 볼록하게 변했고 밀도와 온도가 높아졌다.

6. 성운이 빠르게 회전하면서 가장자리는 납작한 원반모양을 이루게 되었다.

7. 태양계 성운의 볼록한 중신부는 주변의 물질을 흡수해 더욱 커져 원시 태양이 된다. 성운이 수축하며 중심부를 둘러싼 원반이 여러 개의 큰 고리가 된다.

8. 이 고리를 구성하는 기체와 티끌이 뭉쳐져 미행성체가 된다.

* 미행성체 : 태양계가 탄생하는 과정해서 존재하던 작은 천체. 성운 안의 기체와 고체 입자가 충돌, 합쳐져 성장한 것.

9. 미행성체들의 충돌을 통해 원시 행성이 되고 이들이 원시 태양 주위를 회전하며 다른 미행성체를 끌어당겨 행성으로 성장한다.

10. 원시 태양이 수소 핵융합 반응이 일어날 수 있을 정도로 온도가 높아지면 태양이 된다.

11. 행성이 형성되고 남은 주변의 기체와 티끌을 태양품이 태양계 바깥으로 날려 보내며 현재의 태양계가 만들어진다.

- 지구형 행성(수성, 금성, 지구, 화성) : 태양과 가까운 곳에서는 철, 니켈, 규산염 등과 같이 무거운 물질이 충돌해 뭉쳐진 후 성장. 

- 목성형 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성) : 태양에서 먼 곳은 온도가 낮아서 녹는점이 낮은 얼음이나 메테인 등이 응축했다. 태양계 가장자리에 있던 수소, 헬륨 같은 가벼운 기체들을 중력으로 끌어당겨 만들어졌다.

 

지구의 탄생

1. 지구 탄생 초기에는 미행성체가 계속 충돌하며 열이 발생해 지구 전체가 마그마의 바다가 되었다.

2. 이때 무거운 물질은 중심부로 가라앉아 핵을 이루고, 가벼운 물질은 떠올라 맨틀과 지각을 이루었다.

 -> 지각과 맨틀에는 산소, 규소 등 가벼운 물질이, 외핵과 내핵에는 철, 니켈 등 무거운 원소가 포함되어있다.

3. 지구 탄생 초기에는 화산 활동이 활발해지면서 많은 기체가 분출하였다.

 -> 기체의 주 성분은 수소, 이산화탄소, 질소, 수증기 등으로 시간이 지나며 수소와 같은 가벼운 기체는 달아나고 질소, 산소 같은 무거운 기체가 행성 둘레를 에워쌌다.

4. 수증기는 냉각되어 비가 되었고 원시 바다를 이루었다. 

 -> 이산화 탄소는 바닷물에 녹아 석회암으로 침전되며 고체로 변해 대기중에는 이산화 탄소의 양이 줄었다.

5. 이후 광합성을 하는 원시 생물이 이산화 탄소를 줄였고 산소가 증가해 오늘날과 같은 대기 구성을 이루었다.

원소와 주기율

원소의 주기율

멘델레예프 : 원소들 사이의 규칙성을 밝히기 위한 원자량을 기준으로 한 주기율표를 제안했다. 

- 원자번호 : 원자핵 속에 들어있는 양성자수와 같다 (원자번호 = 양성자 수 = 중성 원자의 전자 수)

- 주기율 : 원소들을 원자 번호 순으로 배열할 때 비슷한 성질을 갖는 원소가 주기적으로 나타나는 현상

- 주기율표 : 원소들을 원자 번호 순으로 배열하되, 비슷한 성질을 갖는 원소가 같은 세로줄에 오도록 배열한 표

 > 주기 : 주기율표의 가로줄로 1~7주기로 구성된다

 > 족 : 주기율표의 세로줄로 1~18족으로 구성된다. 같은 족 원소는 화학적 성질이 비슷하다

 

금속과 비금속

준금속 원소 : 주기율표에서 금속 원소와 비금속 원소의 경계에 있는 원소. 

                      금속원소와 비금속 원소의 성질을 모두 갖고 있거나 중간 정도의 성질을 가짐

 

현대의 원자 모형 : 전자의 위치는 발견할 수 있는 확률만으로 표시하며, 주로 핵 주변의 특정 영역에 존재할 확률이 높다. 이를 그림으로 나타내면 구름처럼 보이므로 전자구름모형이라고 한다.

- 원자핵은 양전하를 띠는 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 이루어져 있다.

- 원자핵 속에 들어있는 양성자의 수에 따라 원소의 종류가 달라진다.

- 원자를 구성하는 입자와 수를 알기 쉽도록 원자 모형으로 나타낼 수 있다.

- 이때 원자핵은 중심에 있고 전자는 특정 에너지 준위를 가진 전자 껍질을 돌고있다.

 

원자가 전자 : 원자의 가장 바깥 전자 껍질에 있는 전자

 > 원자가 전자는 화학 결합에 관여하며 원소의 화학적 성질을 결정함

알칼리 금속 : 주기율표의 1족 원소 중 수소를 제외한 리튬, 나트륨, 칼륨 등의 원소. 

 >원자가 전자 수가 1이며, 물과 활발하게 반응

 > 은백색 광택을 띄며 다른 금속들에 비해 가볍다. 칼로 쉽게 잘릴 정도로 무르다.

 > 물, 공기 중의 산소와 반응하므로 접촉을 막시 위해 석유나 액체 파라핀에 넣어 보관한다.

 > 물에 넣으면 격렬하게 반응하며 수소 기체를 발생하고, 수용액은 염기성을 띠게 된다. (페톨프탈레인 용액을 떨어트리면 붉은색으로 변함)

 > 반응성이 크기 때문에 자연계에서 원소 상태보다는 이온이나 다른 원소와 결합한 상태로 존재한다.

 

할로젠 : 주기율표 17족 원소 (플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘 등)

 > 비금속 원소이므로 전기나 열을 잘 통하지 않고, 실온에서 특유의 색을 띤다.

 > 알칼리 금속이나 수소와 잘 반응하며, 수소와 결합한 할로젠화 수소는 모두 물에 녹아 산성을 띤다.

 > 원자 번호가 클수록 녹는점 끓는점이 높아진다.

 > 비금속 원소 중 반응성이 크기 때문에 자연계에서 원소샅애보다는 대부분 다른 원소와 결합한 상태로 존재한다.

  - 형석에는 플루오린화 이온이 들어 있다

  - 미역, 김, 다시마 등에는 아이오딘화 이온이 들어있다.

  - 아이오딘 팅크, 포비돈 아이오딘 등의 소독제에는 아이오딘과 아이오딘화 이온이 들어있다.

  - 플루오린화 수소는 유리를 부식시키는 성질이 있다.

 

화학 결합의 형성

- 공기 속에는 질소, 산소, 아르곤, 이산화 탄소와 같은 물질이 포함되어 있다.

- 질소와 산소는 각각 2개의 원자가 결합하여 질소 분자와 산소 분자를 만든다.

- 이산화 탄소는 탄소 원자 1개와 산소 원자 2개가 결합하여 이산화 탄소 분자를 만든다.

- 그러나 아르곤은 원자들이 서로 결합하지 않고 아르곤 원자 1개로 존재한다.

- 18족 원소는 다른 원자와 결합하지 않고 1개의 원자로 존재한다.

- 원자는 다른 원자와 결합해 18족 원소와 같은 최외각 전자 수를 가지려는 성질이 있다.

- 우리 주변에 수많은 물질이 존재하는 것은 언소들이 화학결합을 통해 최외각에 있는 전자 수가 18족 원소와 같아지려는 성질 때문이다.

 

화학 결합에 대한 과학자들의 견해

톰슨 : 원자들이 화학 결합을 형성할 때 한 원자에서 다른 원자로 전자가 이동한다.

루이스 : 정육면체의 꼭짓점에 전자가 배열되고, 화학 결합은 그 빈 곳을 채우기 위해 전자가 이동한 결과다.

 > 루이스의 주장을 살표보면 정육면체에는 모두 8개의 꼭짓점이 있는데 나트륨은 꼭짓점에 1개의 전자가, 염소는 7개의 전자가 채워져 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 정육면체의 꼭짓점에 배열된 나트륨의 전자 1개가 염소의 전자 배열 중 비어있는 꼭짓점으로 이동해 화학 결합이 형성되며 염화 나트륨이 만들어진다.

 

이온결합 : 양이온(금속원소)과 음이온(비금속원소) 사이의 정전기적 인력에 의한 결합

 > 이온 결합 물질은 수많은 양이온과 음이온이 이온결합을 형성해 삼차원적으로 둘러싸서 결정을 이룬다.

1. 나트륨은 전자 1개를 잃고 나트륨 이온이 되기 쉽고 염소는 전자 1개를 얻어 염화 이온이 되기 쉽다

2. 나트륨 이온과 염화 이온은 정전기적 인력에 의해 서로 결합하여 염화 나트륨이 형성된다.

(ex. 염화나트륨(NaCl), 염화 칼륨(KCl), 염화 칼슘(CaCl2), 산화 마그네슘(MgO)등)

 > 이온의 표시와 이름 : 양이온의 이름은 원소 이름에 '이온'을 붙이고 음이온의 이름은 원소 이름에 '~화 이온'을 붙인다. 이때 원소 이름이 '~소'인 경우 '소'를 빼고 '~화 이온'을 붙인다.

 

- 고체 상태의 이온결합 물질은 양이온과 음이온이 서로 강하게 결합하고 있어 이온이 이동할 수 없으므로 전기가 통하지 않는다.

- 액체 상태나 수용액 상태에서는 이온이 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 전기가 잘 통한다

- 이온 결합 물질인 염화 칼슘은 겨울철에 내린 눈이나 얼음을 녹이는 성질이 있어 제설제로 이용된다

- 이온 결합 물질은 대부분 녹는점과 끓는점이 높다.

 > 지각을 구성하는 물질의 대부분을 차지하는 규산염 광물은 이온 결합 물질로 녹는점이 높아 고체상태다.

  > 규산염 광물 : 규산염 광물은 여러가지 금속 양이온이 규산 이온과 결합한 것이다. 규산염 광물 중 하나인 감람석은 마그네슘 이온, 철 이온이 규산 이온과 결합한 것이다.

 

공유 결합 : 비금속 원소들이 결합하여 화합물을 만들 때 각각의 원자들이 전자를 공유함으로써 형성되는 결합

1. 2개의 수소 원자가 전자를 1개씩 서로 공유하여 수소 분자가 형성된다. (H+H=H2)

2. 전자를 공유함으로써 수소는 헬륨과 같은 최외각 전자 수를 가지게 된다.

1-2. 1개의 산소 원자가 2개의 수소 원자와 전자를 공유하여 물 분자가 형성된다.

- 공유 결합 물질은 고체 상태와 액체 상태, 그리고 수용액 상태에서도 대체로 전기가 잘 통하지 않는다.

 (설탕은 물에 녹아도 이온이 아닌 분자 상태로 존재하므로 설탕물은 전기가 잘 통하지 않는다.)

- 공유 결합 물질은 녹는점과 끓는점이 비교적 낮아 대부분 상온에서 액체나 기체 상태로 존재한다.

- 공기를 이루는 질소와 산소, 바다를 이루는 물 등은 모두 공유 결합 물질이다.