Chapter 08

원소의 주기적 성질

원소를 원자 번호 순으로 늘어놓으면 크기, 전자를 떼어 내는 데 드는 에너지, 전자를 받아들이려는 경향, 금속다움이 일정한 간격으로 되풀이된다. 7장의 전자 배치가 그 이유다. 이 장의 열쇠는 하나 — 바깥 전자가 실제로 느끼는 핵의 당김, 유효 핵전하다. 이것 하나로 주기율표의 거의 모든 경향과 그 예외를 설명할 수 있다. 아래 주족 원소의 공이 원자 반지름 → 이온화 에너지 → 전기음성도 → 전자 친화도로 차례로 모양을 바꾼다. 한 성질이 커지는 쪽에서 다른 성질은 작아지는 것을 보라.

원소를 누르거나 끌기 · 빈 곳: 다음 성질

멘델레예프와 모즐리의 기여를 바탕으로 현대 주기율표의 배열 원리를 설명한다.
가림 효과와 유효 핵전하를 이해하고, 슬레이터 규칙으로 $Z_\text{eff}$를 계산한다.
원자 반지름과 이온 반지름의 주기·족 경향을 설명하고, 등전자 계열의 크기를 비교한다.
1차·연속 이온화 에너지의 경향과 2족/13족, 15족/16족의 예외를 전자 배치로 설명한다.
전자 친화도의 경향을 설명하고, 이온 생성 에너지를 계산한다.
금속·비금속·준금속의 성질과 산화물의 산염기성, 알칼리 금속·할로젠·비활성 기체의 족별 경향을 정리한다.

주기율표의 발달

19세기 중반까지 알려진 원소는 60여 개였고, 화학자들은 성질이 비슷한 원소 무리(Li·Na·K, Cl·Br·I 등)가 있다는 것을 눈치채고 있었다. 1869년 멘델레예프와 마이어는 각각 독립적으로 원소를 원자량 순으로 배열하면 성질이 주기적으로 되풀이된다는 것을 보였다. 멘델레예프의 업적이 특별한 이유는, 성질이 맞지 않는 곳에서는 빈칸을 남겨 두고 아직 발견되지 않은 원소의 성질을 예언했다는 데 있다.

성질	에카규소 예언 (1871)	저마늄 실측 (1886 발견)
원자량	72	72.63
밀도 (g/cm³)	5.5	5.32
색	어두운 회색	회백색
산화물	EsO₂, 밀도 4.7	GeO₂, 밀도 4.23
염화물	EsCl₄, 끓는점 100 °C 미만	GeCl₄, 끓는점 86.5 °C

원자량 순서에는 몇 군데 모순(Ar 39.95 > K 39.10, Te 127.6 > I 126.9)이 있었다. 1913년 모즐리는 원소의 특성 X선 진동수의 제곱근이 정수에 비례한다는 것을 발견했고, 그 정수가 핵의 양성자 수, 곧 원자 번호(atomic number)임이 밝혀졌다. 현대 주기율표는 원자 번호 순서이며, 같은 세로줄(족(group))의 원소는 원자가 전자 배치가 같다. 가로줄(주기(period))의 번호는 원자가 껍질의 주양자수 $n$이다.

원소 구간

배열 순서

MINI LAB모즐리 법칙: 특성 X선(Kα)의 진동수는 $\nu = \tfrac34 cR_\infty (Z-1)^2$, 곧 $\sqrt{\nu}$가 $Z$에 정비례한다. ‘원자량 순’으로 놓으면 Ar·K, Co·Ni에서 점이 직선을 벗어나고, 원자 번호 순이면 한 직선에 놓인다. 39–47번에서는 1913년에 비어 있던 43번(테크네튬, 1937년 합성) 자리가 직선 위에 빈 원으로 남는다. 점을 눌러 값을 읽어 보라.

SIMULATOR

주기율표 성질 지도

색으로 나타낼 성질

원소를 누르면 아래에 자료가 나오고, 이 장의 다른 시뮬레이터(경향 그래프, 연속 이온화 에너지, 유효 핵전하)도 그 원소로 바뀐다. 해볼 것: ① ‘반지름’에서 가장 큰 원소가 왼쪽 아래(Cs, Fr), 가장 작은 원소가 오른쪽 위에 몰려 있는 것을 확인하라. ② ‘이온화 에너지’는 정반대 방향으로 커진다. ③ ‘구역’을 7장의 그림과 비교하라. 색 지도의 ‘반지름’은 공유 결합 반지름(pm)이고, 정보 칸의 ‘원자 반지름’은 정의가 다른 경험적 반지름이라 값이 조금 다르다.

유효 핵전하

다전자 원자에서 바깥 전자는 핵의 전하 $+Z$를 온전히 느끼지 못한다. 안쪽 전자들이 그 사이에서 핵의 전하 일부를 상쇄하기 때문이다. 이를 가림(shielding, screening)이라 하고, 전자가 실제로 느끼는 알짜 양전하를 유효 핵전하(effective nuclear charge)라 한다.

$$Z_\text{eff} = Z - S$$

$Z$: 원자 번호(핵의 양성자 수), $S$: 가림 상수 — 그 전자와 핵 사이에 있는 다른 전자들이 평균적으로 가리는 정도.

가림 효과. 안쪽 껍질 전자 구름(초록)이 핵의 +11 전하 대부분을 가려, 3s 전자는 약 +2.2만 느낀다. 같은 껍질의 전자끼리는 서로를 거의 가리지 못한다.

소듐의 바깥 3s 전자 하나와 +11의 핵만 있다고 하자. 가림이 없으면 $Z_\text{eff} = 11$이다.
1s 껍질 전자 2개를 넣는다. 핵 바로 옆에 있어 거의 완전히 가린다: $Z_\text{eff} = 9.00$.
2s·2p 전자 8개를 넣는다. 슬레이터 계수 0.85로 가려 $S = 8.80$, $Z_\text{eff} = 2.20$.
같은 3주기의 염소는 $Z_\text{eff} = 6.10$. 바깥 전자를 세 배 가까이 세게 당겨 원자가 작다.

가림을 한 껍질씩 쌓아 보기. 안쪽 껍질은 잘 가리고 같은 껍질은 잘 못 가린다 — 이 차이가 주기율표 경향의 원동력이다.

슬레이터 규칙

$S$를 어림하는 간단한 방법이 슬레이터 규칙(Slater's rules)이다. 전자 배치를 (1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)… 묶음으로 나누고, 관심 있는 전자에 대해 다른 전자들의 기여를 더한다.

다른 전자의 위치	ns, np 전자에 대해	nd, nf 전자에 대해
오른쪽(더 바깥) 묶음	0	0
같은 묶음 (1s끼리는 0.30)	0.35	0.35
주양자수 $n-1$ 껍질	0.85	1.00
$n-2$ 이하 껍질	1.00	1.00

소듐의 3s 전자와 염소의 3p 전자가 느끼는 유효 핵전하를 슬레이터 규칙으로 구하라.

풀이 보기

전략 배치를 묶음으로 나눈 뒤, 같은 묶음 ×0.35, $n-1$ 껍질 ×0.85, 그 안쪽 ×1.00.

풀이 Na: (1s²)(2s²2p⁶)(3s¹). 같은 묶음 0개, $n=2$ 전자 8개 × 0.85 = 6.80, $n=1$ 전자 2개 × 1.00 = 2.00 → $S = 8.80$, $Z_\text{eff} = 11 - 8.80 = 2.20$.
Cl: (1s²)(2s²2p⁶)(3s²3p⁵). 같은 묶음 6개 × 0.35 = 2.10, 8 × 0.85 = 6.80, 2 × 1.00 = 2.00 → $S = 10.90$, $Z_\text{eff} = 17 - 10.90 = 6.10$.

Na 3s: Z_eff = 2.20 · Cl 3p: Z_eff = 6.10

검토 같은 3주기에서 양성자는 6개 늘었지만 같은 껍질 전자는 서로를 0.35씩만 가리므로, $Z_\text{eff}$는 원소마다 약 0.65씩 커진다. 이것이 주기를 따라 원자가 작아지고 이온화 에너지가 커지는 근본 원인이다.

2주기 원소 6의 가장 바깥 전자는 같은 묶음(2s, 2p)의 다른 전자 개에게 0.35씩, 1s 전자 2개에게 0.85씩 가려진다. $S =$ , $Z_\text{eff} =$ . 공유 결합 반지름은 , 1차 이온화 에너지는 이다.

Na의 3s 전자와 그 아래 K의 4s 전자 중 슬레이터 규칙으로 구한 $Z_\text{eff}$가 더 큰 쪽은?

K에서 늘어난 양성자 8개는 그만큼 늘어난 안쪽 전자 8개가 거의 다 상쇄한다. 족을 따라 $Z_\text{eff}$는 거의 같고, 바깥 껍질이 커지므로 원자가 커진다. 아래 그래프의 흰 점을 끌어 Li, Na, K를 비교하라.

SIMULATOR

유효 핵전하 계산기 (슬레이터 규칙)

원자 번호 Z 관심 있는 전자

가림 상수 S—

Z_eff = Z − S—

단순 근사 Z − 안쪽 전자—

아래 그래프는 원자 번호 1–54의 가장 바깥 전자에 대한 $Z_\text{eff}$(슬레이터)다. 해볼 것: ① 주기를 따라 톱니처럼 커졌다가 알칼리 금속에서 뚝 떨어지는 모양을 보라. 새 껍질이 시작되면 바깥 전자가 다시 거의 다 가려진다. ② Zn(30)에서 4s와 3d 전자를 각각 골라 비교하라(4.35 대 8.85). 3d가 훨씬 안쪽에 있어 강하게 당겨진다. ③ 족을 따라 내려가도(Li 1.30 → Na 2.20 → K 2.20) $Z_\text{eff}$는 거의 같지만 $n$이 커져 원자가 커진다. 그래프의 흰 점을 좌우로 끌어 원소를 바꿀 수 있다.

원자 반지름과 이온 반지름

전자 구름에는 뚜렷한 경계가 없으므로 원자의 크기는 정의하기 나름이다. 가장 흔한 정의는 같은 원자 두 개가 공유 결합했을 때 핵간 거리의 절반인 결합 원자 반지름(bonding atomic radius, 공유 결합 반지름)이다. 예를 들어 Cl₂의 핵간 거리 198 pm에서 Cl의 반지름은 99 pm이다. 이 값들을 더하면 다른 분자의 결합 길이를 어림할 수 있다(C–Cl ≈ 75 + 99 = 174 pm, 실측 177 pm).

결합 원자(공유 결합) 반지름은 같은 원자 두 개가 결합했을 때 핵간 거리의 절반이다. 원자마다 정해진 반지름을 더하면 처음 보는 결합의 길이도 몇 pm 안에서 맞힌다.

주기를 따라 (왼쪽 → 오른쪽)

반지름이 작아진다. 같은 껍질에 전자가 더해지지만 $Z_\text{eff}$가 커져 전자 구름을 더 강하게 끌어당긴다. Na 155 pm → Cl 99 pm.

족을 따라 (위 → 아래)

반지름이 커진다. 주양자수 $n$이 커져 바깥 전자가 핵에서 멀어지는 효과가 $Z_\text{eff}$의 작은 증가를 이긴다. Li 133 → Na 155 → K 196 pm.

전이 금속에서는 전자가 안쪽 $(n-1)d$에 들어가므로 주기를 따라 반지름이 아주 조금만 줄어든다. 또 6주기에서는 4f 14개가 채워지면서 $Z_\text{eff}$가 크게 늘어(란타넘족 수축), 5d 원소(Hf, Ta, W…)가 4d 원소(Zr, Nb, Mo…)와 크기가 거의 같다.

이온 반지름

양이온은 모원자보다 작다. 가장 바깥 껍질이 통째로 사라지고, 남은 전자 사이의 반발이 줄어든다. 음이온은 모원자보다 크다. 같은 핵전하에 전자가 더해져 반발이 커진다. 전자 수가 같은 원자·이온들의 무리를 등전자 계열(isoelectronic series)이라 하는데, 그 안에서는 핵전하가 클수록 작다.

크기를 비율대로 그린 이온들. 왼쪽: 등전자 계열 O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ (섀넌 이온 반지름, 6배위). 오른쪽: 양이온은 모원자보다 작고(점선이 원자), 음이온은 모원자보다 크다.

F⁻과 Na⁺은 모두 전자가 10개다. 어느 쪽이 더 클까?

같은 10개의 전자를 +9가 당기느냐 +11이 당기느냐의 차이다. F⁻ 133 pm, Na⁺ 102 pm. 아래에서 핵전하를 바꿔 가며 전자 구름이 줄어드는 것을 보라.

SIMULATOR

등전자 계열: 같은 전자, 다른 핵전하

계열 (전자 수)

화학종

핵전하 Z—

이온 반지름—

전자 1개당 양성자—

이온 반지름은 섀넌 값(6배위, N³⁻만 4배위), pm. 오른쪽 그래프의 점을 끌거나 슬라이더로 화학종을 바꾼다. 해볼 것: ① Ne형에서 N³⁻ → Al³⁺로 가며 반지름이 거의 3분의 1로 줄어드는 것을 보라. ② 세 계열 모두 음이온 쪽에서 양이온 쪽으로 같은 모양으로 줄어든다. ③ 같은 −1 이온 F⁻, Cl⁻, Br⁻을 비교하면 껍질이 하나 늘 때마다 커진다.

(a) Na, Mg, K를 원자 반지름이 커지는 순서로, (b) S²⁻, Cl⁻, K⁺, Ca²⁺를 이온 반지름이 커지는 순서로 나열하라.

풀이 보기

전략 (a) 같은 주기에서는 오른쪽이 작고, 같은 족에서는 아래가 크다. (b) 모두 전자 18개인 등전자 계열이므로 핵전하만 비교한다.

풀이 (a) Mg는 Na의 오른쪽이라 Na보다 작고, K는 Na 아래라 Na보다 크다. (b) Z: S 16, Cl 17, K 19, Ca 20 → 핵전하가 클수록 작다.

(a) Mg < Na < K · (b) Ca²⁺ < K⁺ < Cl⁻ < S²⁻

검토 자료값: Mg 139, Na 155, K 196 pm(공유 결합 반지름) · Ca²⁺ 100, K⁺ 138, Cl⁻ 181, S²⁻ 184 pm(이온 반지름). 예측과 일치한다.

SIMULATOR

주기적 경향 그래프

성질

표시 범위 Z ≤ 선택 원소 같은 족 원소 강조

선택 원소—

값—

같은 주기 안 순위—

세로 점선은 주기 경계(비활성 기체 다음)다. 전자 친화도에서 안정한 음이온이 없는 원소(값이 0 이하이거나 자료 없음)는 0 위에 빈 원으로 그렸다. 해볼 것: ① 반지름은 알칼리 금속에서 최대, IE₁은 비활성 기체에서 최대 — 두 그래프가 서로 뒤집힌 모양이다. ② IE₁ 그래프의 2주기에서 Be→B, N→O의 작은 꺾임을 찾아라(다음 절). ③ ‘같은 족 강조’를 켜고 할로젠(Cl)을 고르면 족을 따라 내려가며 IE₁과 전기음성도가 줄어드는 것이 보인다. 빨간 점의 흰 손잡이를 좌우로 끌면 원소가 바뀐다.

이온화 에너지

바닥 상태의 기체 원자(또는 이온)에서 전자 하나를 떼어 내는 데 필요한 최소 에너지. 1차 이온화 에너지 $I_1$은 $\ce{M(g) -> M+(g) + e-}$, 2차 $I_2$는 $\ce{M+(g) -> M^2+(g) + e-}$의 에너지다. 항상 양수(흡열)이다.

이온화 에너지는 원자가 전자를 얼마나 꽉 붙잡고 있는지의 척도다. 경향은 반지름과 반대다: 주기를 따라 오른쪽으로 갈수록 커지고($Z_\text{eff}$ 증가), 족을 따라 내려갈수록 작아진다(전자가 핵에서 멀어짐). 그래서 금속은 대체로 $I_1$이 작아 양이온이 되기 쉽고, 비활성 기체는 $I_1$이 가장 크다.

경향의 예외

2족 > 13족 (Be 900 > B 801, Mg 738 > Al 578 kJ/mol)

B의 전자는 2p에서 떨어진다. 2p 전자는 2s 전자보다 에너지가 높고(침투가 적어 더 잘 가려짐) 떼어 내기 쉽다.

15족 > 16족 (N 1402 > O 1314, P 1012 > S 1000 kJ/mol)

O의 2p⁴에서는 한 오비탈에 두 전자가 짝을 이루어 서로 반발한다. 그 짝지은 전자 하나를 떼면 반쯤 찬 2p³가 남는다. N의 반쯤 찬 2p³는 상대적으로 안정하다.

Be(2s²): 떼어 낼 전자는 2s 전자다. $I_1 = 900$ kJ/mol.
B(2s² 2p¹): 다음 원소인데도 $I_1$이 801로 작아진다. 떼는 전자가 에너지가 더 높은 2p 전자이기 때문이다.
N(2p³): 세 2p 전자가 훈트 규칙대로 각자 다른 오비탈에 있다. $I_1 = 1402$.
O(2p⁴): 넷째 전자가 이미 있는 전자와 짝을 짓는다. 그 반발 때문에 $I_1$이 1314로 내려간다. 떼고 나면 안정한 반쯤 찬 2p³가 남는다.

2주기 이온화 에너지의 두 꺾임. 오른쪽 그래프의 강조한 점이 왼쪽 상자 그림의 원소다(빨강: 예외로 작아지는 원소).

연속 이온화 에너지

같은 원자에서 전자를 하나씩 계속 떼어 내면 $I_1 < I_2 < I_3 < \cdots$이다. 양전하가 커질수록 남은 전자를 더 세게 붙잡기 때문이다. 특히 원자가 전자를 모두 뗀 다음 안쪽 껍질(core) 전자를 떼기 시작하는 순간 값이 몇 배로 뛴다. 이 큰 도약의 위치로 원자가 전자 수, 곧 족을 알 수 있다. 소듐이 Na⁺는 만들어도 Na²⁺를 만들지 않는 이유다.

알루미늄([Ne] 3s² 3p¹)에서 전자를 하나씩 떼어 낼 때, 이온화 에너지가 가장 크게 뛰는 것은 몇 번째 전자를 뗀 다음일까?

원자가 전자 3개(3s² 3p¹)를 모두 떼면 [Ne]가 남고, 넷째는 안쪽 2p 전자다. 11577 / 2745 ≈ 4.2배. 아래에서 Al을 골라 확인하라.

SIMULATOR

연속 이온화 에너지

원소 로그 눈금

원자가 전자 배치—

가장 큰 도약—

예상 이온—

자료: NIST 원자 스펙트럼 데이터베이스(CRC Handbook) 값, kJ/mol. 원자가 전자를 모두 떼고 안쪽 전자 두 개까지를 막대로 보였다(초록: 원자가 전자, 보라: 안쪽 전자). 해볼 것: ① Na, Mg, Al, Si를 차례로 골라 도약이 1번째, 2번째, 3번째, 4번째 다음에 오는 것을 확인하라. ② 로그 눈금을 끄면 도약의 크기가 실감 난다. ③ O를 골라 $I_6$→$I_7$의 도약과, 2p 전자 4개를 떼는 동안의 비교적 고른 증가를 보라.

3주기 원소 X의 연속 이온화 에너지는 $I_1$ = 578, $I_2$ = 1817, $I_3$ = 2745, $I_4$ = 11577 kJ/mol이다. X는 무엇이며, 어떤 이온이 되기 쉬운가?

풀이 보기

전략 연속된 값의 비를 구해 큰 도약이 어디인지 찾는다.

풀이 $I_2/I_1 = 3.1$, $I_3/I_2 = 1.5$, $I_4/I_3 = 4.2$. $I_3$ 다음에 가장 큰 도약 → 원자가 전자 3개, 13족. 3주기 13족은 알루미늄이다.

X = Al, Al³⁺ 이온을 만든다.

검토 Al: [Ne] 3s² 3p¹. 세 원자가 전자를 떼면 [Ne] 배치가 남고, 넷째는 2p 전자라 매우 어렵다. $I_2/I_1$이 큰 것은 3p 다음 3s 전자를 떼기 때문이지 껍질이 바뀌어서가 아니다.

CHALLENGE

전자 뜯어내기: 미지 원소의 족을 알아내라

모드

원소 (공개 모드)

X는 몇 족?

뗀 전자—

이번에 든 에너지—

누적 에너지—

점수—

전자를 하나씩 원자 바깥 점선 너머로 끌어내면, 그 순번의 이온화 에너지 $I_n$(kJ/mol)가 오른쪽 막대로 쌓인다. 원자는 늘 가장 느슨한 전자부터 내준다. 미지 원소 모드에서는 껍질 구조가 가려져 있다 — 막대가 갑자기 몇 배로 뛰는 곳을 찾아 족을 맞혀라. 해볼 것: ① 맞힌 뒤 ‘원소 공개’로 같은 원소의 껍질 그림을 확인하라. ② 2족과 13족, 15족과 16족의 $I_1$을 비교해 앞 그림의 예외를 다시 찾아라.

4의 1차 이온화 에너지는 $I_1 =$ 이다. 원자 하나로는 ()이므로, 광자 하나로 이온화하려면 파장이 이하여야 한다.

포타슘의 $I_1$은 418.8 kJ/mol이다. 기체 K 원자 하나를 이온화할 수 있는 빛의 최대 파장은?

풀이 보기

전략 원자 하나당 에너지 $I_1/N_A$를 구한 뒤 7장의 $\lambda = hc/E$.

풀이 $E = 4.188\times10^{5}/6.022\times10^{23} = 6.954\times10^{-19}$ J, $\lambda = \dfrac{(6.626\times10^{-34})(2.998\times10^{8})}{6.954\times10^{-19}} = 2.86\times10^{-7}$ m

λ = 286 nm (자외선)

검토 가시광선 광자(1.6–3.1 eV)로는 4.34 eV인 K의 $I_1$을 넘을 수 없다. 금속 고체의 일함수(2.30 eV, 7장)가 기체 원자의 $I_1$보다 훨씬 작다는 점도 눈여겨보라.

전자 친화도

기체 원자가 전자 하나를 얻어 음이온이 될 때 방출되는 에너지: $\ce{X(g) + e- -> X-(g)}$. 이 책에서는 방출되는 에너지를 양수로 쓴다(Cl: 349 kJ/mol). 이 과정의 에너지 변화 $\Delta E$로 정의하는 교재에서는 부호가 반대(−349 kJ/mol)이다.

전자 친화도는 이온화 에너지보다 경향이 불규칙하지만, 대체로 오른쪽 위(할로젠)로 갈수록 크다. 할로젠은 전자 하나를 얻으면 비활성 기체 배치가 되므로 가장 크다. 눈여겨볼 점은 다음과 같다.

2족과 비활성 기체: 추가 전자가 더 높은 부껍질(2족: np, 비활성 기체: 다음 껍질의 s)에 들어가야 해서 안정한 음이온이 없다.
15족(N): 반쯤 찬 2p³에 전자를 넣으면 짝을 지어야 해서 N⁻은 불안정하다. P, As는 작은 양의 값이다.
F < Cl: F가 너무 작아 들어오는 전자가 이미 있는 2p 전자들과 강하게 반발한다. 전자 친화도가 가장 큰 원소는 염소(349 kJ/mol)다.
2차 전자 친화도는 항상 흡열이다. O⁻에 전자를 더 넣어 O²⁻를 만드는 데는 약 744 kJ/mol이 필요하다. 그런데도 산화물 이온이 흔한 것은 이온 결정의 격자 에너지(9장)가 이를 갚기 때문이다.

원자

MINI LAB전자 하나를 기체 원자에 던진다. 바깥 오비탈 상자에 자리가 있고 $Z_\text{eff}$가 크면 전자가 붙잡히며 에너지를 내놓는다(아래로 떨어지는 화살표). N(반쯤 찬 2p³)과 Ne(꽉 찬 껍질)에서는 들어갈 자리가 불리해 전자가 튕겨 나간다. F와 Cl을 비교해 보라 — 작은 F에서는 들어오는 전자가 이미 있는 2p 전자와 더 세게 부딪친다.

$\ce{Na(g) + Cl(g) -> Na+(g) + Cl-(g)}$의 에너지 변화를 구하라. $I_1(\text{Na}) = 496$ kJ/mol, 전자 친화도(Cl) = 349 kJ/mol.

풀이 보기

전략 두 단계로 나눈다: Na의 이온화(흡수 +496)와 Cl의 전자 얻기(방출 −349).

풀이 $\Delta E = +496 + (-349) = +147$ kJ/mol

ΔE = +147 kJ/mol (흡열)

검토 기체 상태에서는 전자를 옮기는 것이 오히려 손해다. 소금이 안정한 이유는 이온들이 모여 결정을 만들 때 방출하는 큰 에너지(격자 에너지 787 kJ/mol) 때문이다 — 9장의 보른–하버 순환에서 다룬다.

금속 1의 원자에서 전자를 떼어($I_1 =$ ) 할로젠 1에 주면(전자 친화도 ) 기체 이온 쌍을 만드는 에너지는 $\Delta E = I_1 - E_\text{ea} =$ 이다.

금속, 비금속, 준금속

이온화 에너지가 작은 원소일수록 전자를 잃기 쉬워 금속성(metallic character)이 크다. 따라서 금속성은 왼쪽 아래로 갈수록 크고, 오른쪽 위로 갈수록 작다. 주기율표 p 구역의 B–Si–Ge–As–Sb–Te를 잇는 계단선이 대략의 경계다.

	금속	비금속
겉모습·물성	광택, 전성·연성, 열과 전기의 좋은 도체	광택 없음, 부서지기 쉬움, 대부분 부도체; 상온에서 기체·액체·고체
화학 반응	전자를 잃어 양이온 (산화됨)	전자를 얻어 음이온 (환원됨), 또는 공유 결합
산화물	이온성 고체, 염기성 산화물	분자성, 산성 산화물

준금속(metalloid)(B, Si, Ge, As, Sb, Te)은 중간 성질을 가진다. 규소는 광택이 있지만 부서지기 쉽고, 전기 전도도가 금속보다 훨씬 작으며 온도가 오르면 오히려 커진다 — 반도체다.

3주기 원소

MINI LAB슬라이더로 3주기를 왼쪽에서 오른쪽으로 지나가 보라. Na·Mg·Al은 양이온이 떠다니는 전자의 바다에 잠긴 금속 결합이라 전구가 밝게 켜진다. Si는 원자들이 공유 결합 그물을 이룬 준금속(반도체), P₄·S₈·Cl₂·Ar은 따로 노는 분자·원자라 전기가 거의 흐르지 않는다. 이온화 에너지가 커질수록 전자를 ‘바다’에 내놓지 않는다.

산화물의 산염기성

금속 산화물은 물과 반응해 수산화물(염기)을 만들거나 산과 반응하고, 비금속 산화물은 물과 반응해 산을 만들거나 염기와 반응한다.

$$\ce{Na2O(s) + H2O(l) -> 2NaOH(aq)} \qquad \ce{SO3(g) + H2O(l) -> H2SO4(aq)}$$

3주기 원소의 최고 산화물. 금속 산화물은 물에서 OH⁻를 내놓는 염기, 비금속 산화물은 산이 된다. Al₂O₃는 산과도 염기와도 반응하는 양쪽성 산화물이다.

산화물

MINI LAB만능 지시약을 탄 물에 산화물 가루를 넣는다. 지시약은 산성이면 빨강, 중성이면 초록, 염기성이면 보라로 변한다. 3주기를 따라 염기성 → (녹지 않음) → 산성으로 바뀌는 것을 직접 보라. Al₂O₃와 SiO₂는 물에 거의 녹지 않아 색이 그대로다.

(a) CaO와 물, (b) CO₂와 물, (c) Al₂O₃와 NaOH 수용액의 반응식을 쓰라.

풀이 보기

전략 금속 산화물 → 수산화물(염기), 비금속 산화물 → 산소산, 양쪽성 산화물은 염기와 반응해 착이온을 만든다.

풀이 (a) $\ce{CaO(s) + H2O(l) -> Ca(OH)2(aq)}$
(b) $\ce{CO2(g) + H2O(l) <=> H2CO3(aq)}$
(c) $\ce{Al2O3(s) + 2NaOH(aq) + 3H2O(l) -> 2Na[Al(OH)4](aq)}$

CaO는 염기성, CO₂는 산성, Al₂O₃는 염기와도 반응하는 양쪽성

검토 빗물이 순수한 물보다 약간 산성(pH ≈ 5.6)인 이유가 (b)다. Al₂O₃는 산(HCl)과도 반응해 Al³⁺ 염을 만든다.

족별 경향: 알칼리 금속, 할로젠, 비활성 기체

1족 알칼리 금속

원자가 전자 ns¹ 하나를 쉽게 잃어($I_1$ 최소) M⁺가 되는 가장 반응성이 큰 금속이다. 부드러워 칼로 잘리고, 녹는점이 낮으며, 물과 격렬히 반응해 수소를 낸다. 족을 따라 내려갈수록 $I_1$이 작아져 반응성이 커진다(Li는 물에서 조용히, K는 불꽃을 내며, Cs는 폭발적으로 반응한다).

$$\ce{2M(s) + 2H2O(l) -> 2MOH(aq) + H2(g)}$$

알칼리 금속

MINI LAB같은 크기의 알칼리 금속 조각을 페놀프탈레인을 탄 물에 넣는다. 아래로 갈수록 $I_1$이 작아 반응이 격렬해지고, K부터는 발생한 수소에 불이 붙는다(불꽃색은 그 금속의 색). Rb와 Cs는 물보다 밀도가 커서 가라앉으며 폭발적으로 반응한다. 생긴 OH⁻ 때문에 물이 분홍색으로 변한다.

원소	녹는점 (°C)	밀도 (g/cm³)	I₁ (kJ/mol)	불꽃색
Li	180.5	0.534	520	빨강
Na	97.8	0.968	496	노랑
K	63.5	0.862	419	보라
Rb	39.3	1.53	403	붉은 보라
Cs	28.4	1.93	376	청보라

소듐 0.500 g을 충분한 물에 넣었다. 25 °C, 1.00 atm에서 발생하는 H₂의 부피는?

풀이 보기

전략 g Na → mol Na → (2 : 1) mol H₂ → $V = nRT/P$ (5장).

풀이 $n(\ce{Na}) = 0.500/22.99 = 0.02175$ mol, $n(\ce{H2}) = 0.01087$ mol. $$V = \frac{(0.01087)(0.082057)(298.15)}{1.00} = 0.266\ \text{L}$$

V(H₂) ≈ 0.266 L

검토 원소 1족 금속 2 mol당 H₂ 1 mol. 같은 질량이면 몰 질량이 작은 Li가 가장 많은 H₂를 낸다.

17족 할로젠

ns² np⁵ 배치로 전자 하나를 얻어 X⁻가 되려는 경향이 강하다(전자 친화도·전기음성도가 큼). 이원자 분자 X₂로 존재하며, 위에서 아래로 분산력이 커져 F₂, Cl₂(기체) → Br₂(액체) → I₂(고체)로 바뀐다. 반응성은 F₂가 가장 크고 아래로 갈수록 작아져, 위쪽 할로젠이 아래쪽 할로젠화 이온을 산화한다: $\ce{Cl2(g) + 2Br-(aq) -> 2Cl-(aq) + Br2(aq)}$.

18족 비활성 기체

꽉 찬 ns² np⁶(He는 1s²) 배치로 $I_1$이 가장 크고 안정한 음이온도 없어 거의 반응하지 않는 단원자 기체다. 그러나 아래로 갈수록 $I_1$이 작아져, 1962년 바틀릿은 Xe($I_1$ = 1170 kJ/mol)가 O₂($I_1$ = 1165 kJ/mol)와 비슷하다는 데 착안해 최초의 비활성 기체 화합물을 만들었다. 지금은 XeF₂, XeF₄, XeO₃ 등이 알려져 있다.

CHALLENGE

주기적 경향 도전: 카드를 분류하고 빠르게 비교하라

빠른 비교 (실제 자료)

분류—

빠른 비교 연속 정답—

최고 기록—

왼쪽: 각 성질 카드를 그 값이 커지는 방향의 상자(주기율표의 오른쪽 위 ↗ 또는 왼쪽 아래 ↙)로 끌어다 놓고 채점하라. 오른쪽: 두 원소 중 그 성질이 더 큰 쪽을 고른다. 문제는 원소 자료(공유 결합 반지름, $I_1$, 전기음성도)에서 무작위로 나오므로 Be/B, N/O 같은 예외도 섞여 있다. 연속 10개에 도전해 보라.

핵심 정리

현대 주기율표는 원자 번호(모즐리) 순이며, 같은 족은 원자가 전자 배치가 같다. 멘델레예프는 빈칸으로 Ga, Ge 등의 성질을 예언했다.
$Z_\text{eff} = Z - S$. 안쪽 전자는 잘 가리고 같은 껍질 전자는 잘 못 가린다. 슬레이터 규칙: 같은 묶음 0.35, $n-1$ 껍질 0.85, 그 안쪽 1.00(d·f 전자는 왼쪽 모두 1.00).
원자 반지름은 주기를 따라 작아지고($Z_\text{eff}$ 증가) 족을 따라 커진다($n$ 증가). 양이온 < 모원자 < 음이온이며, 등전자 계열에서는 핵전하가 클수록 작다.
이온화 에너지는 반지름과 반대 경향이다. 예외: 2족 > 13족(np 전자가 떼기 쉬움), 15족 > 16족(짝지은 전자의 반발). 연속 이온화 에너지는 안쪽 껍질에 닿을 때 크게 도약한다.
전자 친화도는 할로젠에서 크고(Cl 최대), 2족·비활성 기체·N은 안정한 음이온이 없다.
금속성은 왼쪽 아래로 갈수록 크다. 금속 산화물은 염기성, 비금속 산화물은 산성, Al₂O₃는 양쪽성이다. 알칼리 금속은 아래로 갈수록 반응성이 커지고, 할로젠은 위쪽이 더 강한 산화제다.

연습문제

답은 유효숫자 3자리 정도로 입력한다. ±1% 이내면 정답으로 처리한다. 필요한 이온화 에너지와 전자 친화도는 문제에 주거나 이 장의 시뮬레이터 자료를 쓴다. $h = 6.626\times10^{-34}$ J·s, $c = 2.998\times10^{8}$ m/s, $N_A = 6.022\times10^{23}$ mol⁻¹, $R = 0.082057$ L·atm/(mol·K).

산소 원자의 2p 전자가 느끼는 유효 핵전하를 슬레이터 규칙으로 구하라.

(1s²)(2s²2p⁴). 같은 묶음의 다른 전자는 5개.

$S = 5(0.35) + 2(0.85) = 3.45$, $Z_\text{eff} = 8 - 3.45 = 4.55$.

포타슘(Z = 19)의 4s 전자에 대한 $Z_\text{eff}$는?

(1s²)(2s²2p⁶)(3s²3p⁶)(4s¹). $n=3$ 전자 8 × 0.85 = 6.80, 안쪽 10 × 1.00 = 10.00. $S = 16.80$, $Z_\text{eff} = 2.20$ — Na와 같다.

아연(Z = 30, [Ar] 3d¹⁰ 4s²)의 4s 전자와 3d 전자에 대한 $Z_\text{eff}$를 각각 구하라.

4s 전자에 대해 3d는 $n-1$ 껍질(0.85). 3d 전자에 대해서는 왼쪽 묶음이 모두 1.00이고 4s는 오른쪽이라 0이다.

4s: 같은 묶음 1 × 0.35, $n=3$ 전자 18 × 0.85 = 15.30, 안쪽 10 × 1.00 → $S = 25.65$, $Z_\text{eff} = 4.35$.
3d: 같은 묶음 9 × 0.35 = 3.15, 왼쪽 18 × 1.00 → $S = 21.15$, $Z_\text{eff} = 8.85$.

철(Z = 26, [Ar] 3d⁶ 4s²)의 4s 전자에 대한 $Z_\text{eff}$는?

$S = 1(0.35) + 14(0.85) + 10(1.00) = 22.25$, $Z_\text{eff} = 26 - 22.25 = 3.75$.

다음 중 반지름이 가장 큰 화학종은?

모두 전자 18개인 등전자 계열이다. 핵전하가 가장 작은 S²⁻(Z = 16)가 가장 크다.

1차 이온화 에너지가 더 큰 쪽과 그 이유가 옳게 짝지어진 것은?

N 1402 > O 1314 kJ/mol. O의 2p⁴ 중 한 오비탈의 짝지은 전자는 서로 반발해 떼기 쉽다. Be > B, Mg > Al도 예외다(np 전자가 ns 전자보다 떼기 쉬움).

어떤 원소의 연속 이온화 에너지가 738, 1451, 7733, 10543 kJ/mol이다. 이 원소는 몇 족인가?

$I_3/I_2 = 5.3$로 둘째 다음에 큰 도약 → 원자가 전자 2개 → 2족(이 값은 Mg).

기체 소듐 원자 1.00 g을 모두 Na⁺(g)로 이온화하는 데 필요한 에너지는? ($I_1$ = 495.8 kJ/mol, Na 22.99 g/mol)

$n = 1.00/22.99 = 0.04350$ mol, $E = 0.04350\times495.8 = 21.6$ kJ.

포타슘 원자($I_1$ = 418.8 kJ/mol)를 이온화할 수 있는 빛의 최대 파장은?

원자 하나: $4.188\times10^{5}/N_A = 6.954\times10^{-19}$ J, $\lambda = hc/E = 2.86\times10^{-7}$ m = 286 nm.

$\ce{K(g) + Cl(g) -> K+(g) + Cl-(g)}$의 에너지 변화는? ($I_1(\text{K})$ = 418.8 kJ/mol, Cl의 전자 친화도 349.0 kJ/mol)

$\Delta E = 418.8 - 349.0 = +69.8$ kJ/mol. Na의 경우(+147)보다 작다 — K의 $I_1$이 더 작기 때문이다.

물에 녹아 산성 용액을 만드는 산화물은?

비금속 산화물 SO₂는 물과 반응해 아황산($\ce{H2SO3}$)을 만든다. 나머지 금속 산화물은 염기성이다.

포타슘 1.00 g이 물과 완전히 반응할 때 25 °C, 1.00 atm에서 발생하는 수소 기체의 부피는? (K 39.10 g/mol)

$\ce{2K + 2H2O -> 2KOH + H2}$. $n(\ce{H2}) = (1.00/39.10)/2 = 0.01279$ mol, $V = (0.01279)(0.082057)(298.15)/1.00 = 0.313$ L.

Li²⁺는 전자가 하나뿐인 수소 꼴 이온이므로 에너지 준위가 $E_n = -2.18\times10^{-18}\,Z^2/n^2$ J이다. 이것으로 리튬의 3차 이온화 에너지(kJ/mol)를 계산하라. (실측 11815 kJ/mol)

$Z = 3$, $n = 1\to\infty$.

$I_3 = 2.18\times10^{-18}\times9\times N_A = 1.18\times10^{7}$ J/mol = 1.18×10⁴ kJ/mol. 전자가 하나뿐이라 가림이 없어 $Z_\text{eff} = Z$이고, 보어 식이 정확히 맞는다.

모즐리 법칙 $\nu = \tfrac34(3.290\times10^{15}\ \text{Hz})(Z-1)^2$으로 철(Z = 26)의 Kα X선 파장(pm)을 구하라.

$\nu$를 구한 뒤 $\lambda = c/\nu$.

$\nu = 0.75\times3.290\times10^{15}\times25^2 = 1.542\times10^{18}$ Hz, $\lambda = 2.998\times10^{8}/1.542\times10^{18} = 1.94\times10^{-10}$ m = 194 pm (실측 193.6 pm).

$\ce{Cs(g) + F(g) -> Cs+(g) + F-(g)}$의 에너지 변화는? ($I_1(\text{Cs})$ = 375.7 kJ/mol, F의 전자 친화도 328.0 kJ/mol)

$\Delta E = 375.7 - 328.0 = +47.7$ kJ/mol. 이온화 에너지가 가장 작은 금속과 전자 친화도가 큰 할로젠을 골라도 기체 이온 쌍은 여전히 흡열이다.

Se²⁻, Br⁻, Rb⁺, Sr²⁺(모두 전자 36개)를 반지름이 작아지는 순서로 옳게 나열한 것은?

등전자 계열에서는 핵전하(34, 35, 37, 38)가 클수록 작다. 섀넌 반지름 Se²⁻ 198, Br⁻ 196, Rb⁺ 152, Sr²⁺ 118 pm.

개념 확인 퀴즈

같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자 반지름이 작아지는 주된 이유는?

같은 주기에서는 껍질 수($n$)가 같다. 양성자가 하나 늘 때 같은 껍질 전자는 0.35 정도만 가리므로 $Z_\text{eff}$가 커진다.

Mg의 연속 이온화 에너지에서 가장 큰 도약이 나타나는 곳은?

Mg는 원자가 전자 2개(3s²). 셋째 전자는 [Ne]의 2p에서 떼어야 하므로 $I_3$(7733)이 $I_2$(1451)의 5배가 넘는다.

전자 친화도가 가장 큰 원소는?

Cl 349 > F 328 kJ/mol. F는 크기가 너무 작아 들어오는 전자와 기존 2p 전자의 반발이 크다. Ne은 안정한 음이온이 없다.

Al₂O₃에 대한 설명으로 옳은 것은?

Al은 금속과 비금속의 경계 가까이 있어 산화물이 양쪽성이다: 산과 반응해 Al³⁺ 염, 염기와 반응해 [Al(OH)₄]⁻를 만든다.

Na⁺, Mg²⁺, F⁻, O²⁻을 크기 순으로 바르게 나열한 것은?

전자 10개의 등전자 계열. 핵전하 8 < 9 < 11 < 12 순으로 당김이 커지므로 크기는 반대 순서다.