원소주기율표 분석하기 #3/3

원소주기율표 분석하기 #3/3

전자 배열에 대한 규칙 최종정리

미리 읽어둬야 할 글들
원소주기율표 분석하기 #1/3
원소주기율표 분석하기 #2/3

1. 원자 크기에 따른 원소의 성질

▲ 원자크기의 변화

이 그림은 이전 글에서 주기율표에서 원자 크기 변화를 살펴본 그림이다. 중요한 것은 원자 크기와 쿨롱의 힘에 잡혀 있는 전자의 구속에너지 크기이다. 이 관계가 비례나 반비례처럼 간단히 표현할 수는 없지만, 대체적으로 원자 크기가 커지면 구속에너지는 작아지는 경향이 있다. 이는 매우 중요한 성질이어서 전자친화도와 이온화도 등을 대략 설명할 수 있다.
따라서 주기율표의 왼쪽 가장 밑에 있어서 가장 크기가 큰 원소인 프란슘(Fr)은 모든 원소 중에 전자를 잃어버리기 가장 쉽다. (그런데 프란슘은 반감기가 너무 짧아 자연에는 존재하지 않는 방사성 동위원소이다보니 쓸모가 없다. 그래서 전자를 잘 잃어버리는 성질의 원자를 사용하고자 할 때는 주기율표에서 Fr의 바로 위에 있는, 크기가 조금 작은 세슘(Cs)을 이용한다.) 따라서 프란슘이나(Fr)이나 세슘(Cs) 화합물은 물에 매우 잘 녹아 강력한 염기성 물질이 될 것이란 예측을 할 수 있다. (알칼리족(1A족) 원소는 모두 강력한 염기성을 띤다.)

반대로 불활성기체를 빼면 주기율표에서 오른쪽 가장 위에 위치한, 크기가 가장 작은 불소(F)는 다른 원자로부터 전자를 가장 쉽게 빼앗아 올 수 있다. 그렇다면 불소는 전자친화도가 가장 크고, 산의 성질이 가장 강할 것이다. 하지만 불소는 너무 작기 때문에 원자 안에 있는 전자들 사이의 반발력이 너무 강하다. 그래서 전자친화도가 원소주기율표 규칙처럼 작지 않으며, 그래서 대부분의 산이나 염기로부터 안정한 유리를 녹일 수는 있지만 산성은 그리 강하지 않은 약산성 성질을 가진다. 대신 주기율표에서 불소의 바로 밑에 있는 염소(Cl)가 가장 강한 산의 성질을 가진다.


2. 훈트 규칙

전자 배열에 있어서 가장 신기하고 귀찮은 규칙이 훈트 규칙(Hund’s Rule)이다. 훈트 규칙은 전자끼리의 반발 때문에 생긴다.

우선 주기율표에서 같은 주기의 원소는 원자부껍질 s, p, d, f에 전자를 채울 때 낮은 에너지 순으로 전자를 채운다. 그런데 종종 원자부껍질의 에너지 차이보다 원자부껍질 속 전자의 반발 때문에 최대한 멀리 떨어져서 모양을 동일하게 만드는 것이 전체적으로 더 낮은 에너지 준위가 되는 경우가 있다. 23 번 바나듐(V)과 24 번 크롬(Cr)과 25 번 망간(Mn)의 경우를 살펴보자면 다음과 같다.

V[Ar] s2 dx1 dy1 dz1 dxy0 dyz0  : +2, +3, +4, +5
Cr[Ar] s1 dx1 dy1 dz1 dxy1 dyz1  : +2, +3, +6
Mn[Ar] s2 dx1 dy1 dz1 dxy1 dyz1  : +2. +3, +4, +6, +7
▲ 3주기의 세 원소의 바닥상태의 전자배치와 다양한 이온화수

s 원자부껍질은 d 원자부껍질보다 에너지 준위가 낮다. 그런데 크롬(Cr)은 이상하게도 s 원자부껍질의 전자 하나가 d 원자부껍질에 올라갔다. 이것이 훈트 규칙의 대표적인 예이다. 크롬족(6A족)의 몰리브덴(Mo)과 텅스텐(W), 구리족(1B족)의 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)도 훈트의 규칙을 따른다.

원리적으로 훈트 규칙은 p 원자부껍질에서도 나타나지만, s 원자부껍질과 p 원자부껍질의 에너지 준위 차이는 커서 s 원자부껍질의 전자가 p 원자부껍질로 옮겨올 경우 불안정해진다. f 원자부껍질에서도 마찬가지…. 그렇지만 이 경우에 해당하는 원소들은 화합물을 이룰 때 실제로 훈트 규칙이 나타난다. 하지만 정상적인 바닥상태보다 에너지가 높은 들뜬상태의 특성을 보인다.


시리즈로 쓴 세 글은 고등학교 화학 I과 II를 대부분 요약한 것이다. 이 글을 충분히 이해할 수 있다면, 착이온, 탄소화합물 등 몇 가지 원리와 패러다임을 더 공부하면 화학 공부를 끝낼 수 있다. 따라서 고등학교 1~2 학년 학생은 이 시리즈를 읽고 이해가 가지 않는다고 고민할 필요는 없다.

ps. 문제가 있는 부분은 지적 부탁드립니다.

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