주기율표

주기율표와 원자의 분류

주기율표는 존재하거나 존재할 수 있는 원자들의 성질을 잘 나타낸다. 특히 같은 족으로 일컫는 세로로 인접한 원자들은 물리 및 화학적인 특성이 비슷하여, 그중에는 거의 구분이 가지 않는 것들도 있다.

다음 표는 2016년까지 발견된 모든 원소를 주기율표로 표현한 것으로 118개가 나열되어 있다. 이들 중에서 자연에서 발견되는 것은 94번 Pu까지로 그 이후의 것은 인공적으로 만들어진 것이다. (43번 Tc, 61번 Pm 도 자연에선 발견되지 않는다) 표에서 각 원소를 선택하면 이 원소의 질량수, 이온화에너지, 원자반경, 바닥상태의 전자배치 등 보다 세부적인 데이터와 간단한 설명이 화면에 나타난다.

금속과 비금속

금이나 철에서 볼 수 있는 것처럼 금속은 표면에서 독특한 광택을 내고, 또한 전기를 잘 통한다. 이에 반하여 비금속은 열전도성이 약하고, 아울러 (흑연을 제외하고는) 전기를 잘 통하지 않는다. 한편 금속은 두드려서 얇게 펼 수 있거나 가늘고 길게 뽑을 수 있으나 비금속은 그렇지 못하다. 이들 중간에는 준금속이 있는 데 화학, 물리적으로는 비금속처럼, 전기전도성은 금속처럼 행동한다. 금속, 준금속, 비금속은 주기율표에서 확연한 경계를 가지고 있다.

알칼리 금속

IA족의 원자들은 $s$ 버금껍질에 약하게 속박되어 있는 하나의 전자를 가지고 있다. 따라서 이들 원자는 바깥 전자를 쉽게 떼어내고 +1가 이온으로 있는 경향이 강하다. 수소를 제외하고 모두 금속을 이루어 이들을 알칼리 금속(alkali metal)이라 한다. 한편 IIA족 원자들은 알칼리 금속처럼 산화물이 알칼리성이지만 물에 잘 녹지않아 땅에서 침전물로 발견된다. 이들의 알칼리성과 땅에서 발견되는 특성 때문에 알칼리 토금속(alkali earth metal) 이라 한다.

할로겐족

할로겐족(halogen)은 알칼리족의 다른 극단에 있는 VIIA족의 원자들로 최외각의 $p$ 버금껍질에 전자가 하나 부족한 상태에 있다. 따라서 이들은 한 자리에 다른 전자를 채우려는 경향이 강해서 전자 친화력이 강하다. 이들이 전자를 채우면 -1가 이온으로 되기 쉬우며, 이 상태에서 +1가의 알칼리 금속과 이온결합을 강하게 한다. 이의 대표적인 분자가 NaCl이다.

전이원소

전이원소(transition element)는 B족 전체를 말하며 매우 많은 원자들이 있다. 이들은 최외각의 전자가 채워지고 나서 안쪽의 버금껍질이 채워지기 시작하므로 화학적인 성질이 모두 비슷하다. 이들 중 주기율표에서 아래 두 줄로 나타낸 란타넘 족(lanthanides)과 악티늄 족(actanides)은 내부전이원소(inner transition element)라고 한다. 한편, 전이원소에 속하지 않는 A족 전체를 전형원소(typical element)라고 한다.

희토류

희토류(rare earth elements)는 전이원소 중 일부로서 지구상에서 매우 희귀한 원소를 말하며²¹Sc(스칸튬),³⁹Y(이트륨), 란타늄계열인⁵⁷La(란타넘) ~⁷¹Lu(루테튬) 등 17개 원소를 말한다. 이들은 충전지, 초전도체, 촉매, 형광 등 첨단 기술에 필수적인 원소로서 중국에서 세계 시장의 90% 정도를 생산하고 있다.

강자성체

강자성(ferromagnetism)을 띠는 대표적인 물질인 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)은 훈트의 규칙에 의해 $3d$의 버금껍질이 부분적으로 채워져 있는 데 기인하고 있다. 즉, $3d$의 완전히 채우지 못한 4개~ 2 개의 전자는 서로 나란한 스핀으로 배열되어 있으며 이에 따라 원자 수준에서 큰 자기쌍극자모멘트를 가진다.

구리족

인류에 의해 오래 전에 발견되어 화폐 등으로 사용된 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)은 $3d^{10}4s^1$, $4d^{10}5s^1$, $5d^{10}6s^1$의 전자 배치를 하고 있어 매우 비슷하다. 이들 원소들을 구리족이라 하는 데 모두 전기를 잘 통하고, 또한 광택이 좋아 귀하게 취급되었다.

백금족

백금족은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 의 여섯 원소들로 모두 은백색을 띠고, 녹는점이 높고 잘 부식되지 않아 귀금속의 성질을 가지고 있다. 희소하다.

반도체

반도체를 연구하는 거의 모든 실험실에는 주기율표가 커다랗게 붙어 있다. 이는 4족 원소를 중심으로 3족, 5족의 원소를 합성하여 새로운 특성을 가진 반도체를 찾아내기 위해서다. 원래 순수한 반도체로 4족의 실리콘(규소, Si), 게르마늄(Ge) 등의 사용되었으나 3족과 5족의 결정도 4족의 반도체와 비슷하면서도 새로운 특성을 가지는 것이 발견되어 널리 활용되고 있다.

새로운 원소의 발견

원자번호 94번 플루토늄 이후의 원소(초우라늄 원소)는 자연에 존재하지 않아 실험실에서 인공적으로 합성해 낸다. 자연에 없는 이유는 핵의 수명이 매우 짧아서 빅뱅 이후 별, 지구 등이 만들어 질 때 존재했더라도 붕괴했기 때문일 것이다. 과학자들은 인공적으로 새로운 원소를 만드는 시도를 계속하고 있는 데 보통 입자가속기를 이용한다.

새로운 원소를 만드는 관건은 그것에 해당하는 원자핵을 만드는 것이다. 그러나 원자핵은 양성자 수가 늘어가면 급격하게 불안정하여 붕괴되어 버린다. 예로 뢴트게늄(Rg)의 동위원소들 중 가장 긴 반감기를 가진 것이 3.6 s 이다. 따라서 이들의 특성을 조사하는 것은 어려운 일이기 때문에 이온화에너지 등 원자의 데이터가 조사되어 있지 않는 경우가 많다. 그러나 전자의 배치는 쌓음원리에 의해 충분히 예측할 수 있기 따문에 200번 이후의 원소의 것도 밝혀져 있다.

새로 만들어진 원소의 이름은 주로 유명한 과학자의 이름이나 지방의 이름을 딴다. 예를 들어 가장 최근에 명명된 뢴트게늄은 X선을 발견한 뢴트겐을 기념한 것이다. 명명되기 이전에 그 원소를 지칭할 필요가 있기 때문에 미리 잠정적인 이름을 지어 놓았다. 위 주기율표에서 'Uu'로 시작하는 것들이 그 예다. 이들은 이미 발견되었는 데도 불구하고 정식명칭이 부여되지 않았는 데 아직 국제순수응용화학연맹(International Union of Pure and Applied Chemistry), 즉 IUPAC의 공인을 받지 않았기 때문이다.

족의 명명법

족을 분류하는 방법은 역사적으로 많은 변천을 겪었다. 위 그림에서 보듯이 IA, IIA, ... , VIIIA, IIIB, ... , VIIIB, IB, IIB 등으로 1족부터 8족까지를 A 아족, B 아족으로 분류하기도 한다. 그러나 최근에 들어서 원자의 명칭부여 등을 관장하는 IUPAC 에서는 주기율표의 왼쪽 부터 1족, 2족, ... , 18족으로 분류하는 것을 표준으로 삼기로 하였다. 이에 따르면 기존의 IA족 ~ VIIIA족은 1족, 2족, 13족, ... , 18족이 되고 전이원소는 차례로 3족 ~ 12족이 된다. 따라서 할로겐족은 17족, 불활성기체(영족기체)는 18족이 된다. 여기서는 A족과 B족으로 나눈 전통적인 방법을 따르도록 한다.

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