주기율표

전자배열과 주기율표

전자배열의 원리와 주기율표를 서로 관련

앞의 다전자원자의 전자배열표를 살펴보면 주기율표에서의 주기성이 나타나는 원인을 확인할 수 있을 것이다. 예를 들어 1족의 경우 언제나 최외각 전자가 $s$ 버금껍질에 1개의 전자가 있고 2족은 $s$에 2개가 있다. 3족 이후는 $s$에 2개가 채워진 상태에서 $p$에 1개~6개가 채워진다. 따라서 8족은 $s$와 $p$가 완성된 상태이다. 이로서 최외각인 $ns$와 $np$에 배치된 전자, 즉 원자가전자의 개수가 족의 번호가 되는 것을 알 수 있다. 여기서 국제순수응용화학회(IUPAC)가 권장하고 있는 1족 ~ 18족의 표기방법을 따르지 않고, 과거의 1족 ~ 8족으로 표기하도록 한다.

한편 최외각의 $ns$가 2개로 다 채워지고 그보다 안의 $(n-1)d$나 $(n-2)f$가 순차적으로 채워지는 경우에는 전이원소가 된다. (몇몇 예외가 있어 $s$에 있을 1~2개가 $d$나 $f$로 내려간 경우도 있다) 이를 통해 주로 외각전자의 행동으로 결정되는 원자의 화학적 성질이 비슷하게 주어지는 이유를 알 수 있다.

전자배열의 몇몇 예외

전자배열표에 의하면 대체로 전자가 배열되는 규칙들이 잘 적용되는 것을 알 수 있지만 몇 가지 원자는 그 규칙에서 벗어난 것을 볼 수 있다. 예를 들어 크롬(Cr)이나 구리(Cu)의 경우 $\mathrm{[Ar]}3d^4 4s^2$ 나 $\mathrm{[Ar]}3d^9 4s^2$로 기대되지만 실제로는 \[ \mathrm{Cr} \quad \mathrm{[Ar]}3d^5 4s^1 \] 및 \[ \mathrm{Cu} \quad \mathrm{[Ar]}3d^{10} 4s^1 \] 으로 배열되어 있다. 이는 $3d$의 버금껍질을 절반 채우거나 완전하게 채우기 위해 $4s$로 갈 하나의 전자를 빌어왔다고 할 수 있다. 이는 전이원소에 간혹 나타나며, 전자의 스핀과 관련되어 있는 것을 눈치챌 수 있다. 이 때문에 전이원소로서의 성질이 미묘하게 달라지게 된다.

_ 전자의 스핀_ 주기

원자반지름과 이온화에너지

오른쪽 그림은 1 ~ 18 번 원자의 전자가 배치되는 상황을 상징적으로 그린 것이다. 처음 화면에 나타난 네온(Ne)의 경우 $n=1$과 $n=2$의 껍질이 완성되어 불활성 기체를 이루는 8족이다. 이때 하나의 전자가 더 있는 나트륨(Na)이 되면 추가되는 전자는 $n=3$의 상태에 놓일 수 밖에 없다. 이 전자를 당겨주는 핵의 전하는 안쪽의 껍질에 있는 10개의 전자에 의해 가려막힌 효과 때문에 원래의 핵 전하가 +11가 보다 훨씬 줄어들어 느껴질 것이다. 따라서 매우 느슨하게 결합하므로 원자반지름도 커지고, 아울러 이 전자를 떼어내는 데 드는 에너지도 작은 값을 가질 것이다. 또다시 원자번호가 1 증가하여 마그네슘(Mg)이 되면 이 전자는 역시 $n=3$의 껍질에 들어가게 된다. 이제 핵의 전하가 +12가가 되나 안쪽 전자에 의해 가려막힌 정도는 나트륨과 비슷할 것이다. 즉, 마그네슘은 나트륨에 비해서 핵의 전하가 +1가 더 느껴지므로 마지막 두 전자의 궤도반경은 더욱 줄어들게 된다. 이러한 효과가 8족의 아르곤(Ar)까지 지속되기 때문에 원자반지름이나 마지막 전자가 결합하는 에너지는 주기율표의 주기에 따라 주기성을 띠고 변할 것으로 기대할 수 있다.

원자반지름

전자가 넓은 범위에서 확률분포를 한다는 양자역학적인 관점에서 원자의 반지름을 정의하기 곤란하지만 원자가 분자를 이루는 형태를 고려하여 유효반지름을 정의할 수 있다. 보통의 경우에는 단원자로 된 분자, 예를 들어 수소 원자가 수소 분자가 될 때 두 수소 원자 사이의 거리의 반을 수소 원자의 반지름으로 삼을 수 있을 것이다. (수소 분자의 두 원자간 거리는 약 0.074nm이므로 수소 원자의 반지름을 0.037nm정도로 삼았다. 그러나 수소가 다른 원자와 결합할 경우에는 결합거리가 약간 달라져서 유효반경이 달라진다) 단원자분자가 존재하지 않는 경우에는 결정을 형성하여 이들이 쌓이는 거리에서도 반지름을 계산할 수 있다. 이렇게 측정한 원자반지름을 다음 그래프에 나타내었다.

이 원자반지름은 앞의 '원자의 전자 배치'의 그림으로 살펴본 대로 족의 변화에 따른 주기성을 가지고 있다. 즉, 각 주기에서 불활성 기체의 반지름이 최소를 이루고, 8족에서 1족으로 원자번호가 줄어들수록 반경은 오히려 커진다.

이온화에너지

원소의 전자를 하나 떼어내는 데 필요한 에너지를 이온화에너지(ionization energy)라고 한다. \[ \mathrm{X} ~~ \longrightarrow ~~ \mathrm{X}^{+} ~ + ~ e^{-} \] 이는 바닥상태의 원자에서 마지막에 채워진 전자, 즉 가장 높은 에너지 준위에 있는 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지로서 이 전자의 결합에너지와 같다. 따라서 수소원자의 경우에는 $1s$의 전자의 에너지 준위가 -13.6 eV 이므로 이온화 에너지, 혹은 결합에너지는 13.6 eV가 된다.

이온화에너지는 같은 주기의 원소에서는 1족에서 8족으로 갈수록 점점 커진다. 불활성 기체의 경우 마지막 전자는 가려막기에 의한 핵의 유효전하가 +8 단위에 가까워 매우 강하게 결합되지만, 7족의 경우에는 +7 단위, 등으로 점점 1족으로 가면서 핵 전하가 줄어들게 되어 결합이 느슨하기 때문이다.

아래 그래프는 이온화에너지가 원소번호에 따라 달라지는 것을 보여준다. 이를 통해 주기율표의 주기를 주기로 하여 에너지 값이 비슷하게 다시 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 아울러 같은 족에서는 아래로 내려 갈수록 점점 이온화에너지가 줄어드는 데 이는 $n$의 수가 커지면 가려막힌 핵의 전하는 거의 그대로인 데 껍질의 반지름이 점점 커지기 때문이다.

_ 결정_ 에너지 준위_ 양자역학_ 바닥상태_ 이온_ 주기_ 전하