화학2 : II-2. 주기율

1. 주기율과 주기율표

(1) 원소의 주기율

가. 주기율(periodic law)

: 원소들을 원자 번호 순으로 나열할 때 화학적 성질이 비슷한 원소들이 주기적으로 나타나는 현상.

나. 주기율의 발견 과정

① 세쌍 원소 : 1829년 되베라이너(Döbereiner, 독일)
: 화학적 성질이 비슷한 원소들이 3개씩 쌍을 지어 존재하는 것을 발견하고 이름 세쌍 원소라 함.
(예) Cl-Br-I, Li-Na-K, Ca-Sr-Ba

② 옥타브 법칙 : 1863년 뉼렌즈(Newlands, 영국)
: 원소들을 원자량 순서로 배열할 때 8번째 원소마다 화학적 성질이 비슷한 원소들이 나타나는 것 발견

③ 멘델레예프(Mendeleev, 러시아)의 원자량 순서 배열
㉠ 1869년에 당시까지 알려진 63 종의 원소를 원자량 증가순으로 나열하면 화학적 성질이 비슷한 원소들이 주기적으로 나타난다.
㉡ 미발견 원소인 스칸듐(Sc), 게르마늄(Ge) 등은 빈 자리로 남겨두고 이 원소들의 성질을 예측하여 후에 이 원소들을 발견하는데 공헌하였다.

④ 모즐리(Moseley, 영국)의 원자 번호 순서 배열: 현재까지 사용하는 주기율표.
㉠ X선 연구로 원자번호를 정하였고, 원자번호 순서와 원자량이 커지는 순서가 꼭 일치하는 것이 아님을 발견.
㉡ 멘델레예프가 발견한 주기율에서 예외로 인정한 원소들을 원자번호 순으로 나열하면 예외가 아님.

다. 원소의 주기율과 전자 배치

첫째 주기 : 2개, 둘째, 셋째 주기에 8개, 넷째, 다섯째 주기에 18개, 여섯째 주기에 32개의 원소를 배치하고 나머지를 일곱째 주기에 배치.

(2) 주기율표의 구성

주기율표(periodic table)

: 원소들을 원자 번호 순으로 나열하면서 성질이 비슷한 원소들이 같은 세로줄에 오도록 만든 원소의 분류표

가. 주 기

: 주기율표의 가로줄. 7주기까지 존재한다.

① 같은 주기에 있는 원소는 같은 수의 전자 껍질을 가진다.
② 주기는 전자 껍질 수와 같다.
③ 1∼3주기를 단주기, 4∼7주기를 장주기하는데, 7주기는 아직 완성되지 않았으며 93번 이후의 원소드은 모두 인공적으로 만들어진 것이다.

〔표〕주기와 전자 껍질 및 원소 수

주 기	1	2	3	4	5	6	7
전자 껍질 수	1	2	3	4	5	6	7
최외각 전자 껍질	K	L	M	N	O	P	Q
원소 수	2	8	8	18	18	32	미완성

④ 6주기와 7주기의 원소 중 f 오비탈을 가지는 원소들은 한 줄에 배열하면 너무 길어 15개씩을 따로 떼내어 놓음. ☞ 란탄족, 악티늄족이라고 한다.

나. 족(group)

: 주기율표의 세로줄, 같은 족 원소를 동족 원소라 한다.

① 동족 원소 : 원자가 전자수가 같아 화학적 성질이 비슷하다.
② 동족 원소의 이름

족	1	2	13	14	15	16	17	18
이름	알칼리 금속	알칼리 토금속	알루미늄 족	탄소족	질소족	산소족	할로겐	비활성 기체

(3) 주기율과 전자 배치

가. 동족 원소의 전자 배치

① 알칼리 금속의 전자 배치

▷가장 바깥 전자 껍질에 s전자 1개 가짐
▷알칼리 금속들이 비슷한 성질을 가지는 것은 의 최외각 전자 배치 때문

② 비활성 기체의 전자 배치

▷최외각 전자 배치가 (He는 )
▷s 및 p 오비탈이 완전히 채워지면 에너지 상태가 가장 낮아 안정. 그러므로 비활성 기체의 원자들이 매우 안정

나. 같은 주기 원소의 전자 배치

① 주기율표는 원소를 원자 번호 순으로 늘어 놓다가 전자 배치가 으로 끝나는 원소가 나타날 때마다 줄을 바꾸어 배열해 놓은 것으로, 각 주기에 들어 있는 원소 수는 채워지는 오비탈의 전자 수에 의해 결정된다.

② 4주기 이후에는 오비탈에 전자를 가진 원소들이 나타나므로 오비탈의 전자 배치가 같은 원소들을 같은 족에 넣기 위해서는 2주기와 3주기에서 각각 처음의 두 원소와 나머지 6개의 원소들을 떼어 놓아야 한다. 또 6, 7주기에서는 전자를 가지는 원소들이 나타나는데 화학적 성질이 비슷하여 같은 족으로 분류됨(란탄족과 악티늄족)

(4) 주기율표에 의한 원소의 분류

가. 전형 원소와 전이 원소

: 주기율표의 부분적으로 채워진 d 또는 f 오비탈을 가진 원소들을 전이 원소라고 하며, 그 외의 모든 원소를 전형 원소라고 한다.

① 전형 원소 : 주기율표에서 1, 2족과 12 ∼18족 원소

㉠ 원자가 전자 수
ⓐ 1족과 2족 원소 : 원자가전자 수는 족 수와 일치
ⓑ 12 ∼17 족 : 원자가전자 수는 ' 족 수-10'
ⓒ 18족 : 원자가전자 수는 0

㉡ 성질 : 화학적 성질이 비슷하다. 전자배치는 맨 마지막에 s오비탈이나 p 오비탈에 전자가 채워진다.

족	원자가전자 배치	원자가전자 수
1 2 13 14 15 16 17 18		1 2 3 4 5 6 7 0 (8)

② 전이 원소 : 4주기 이후의 3∼11족 원소

㉠ 원자가전자가 에 채워진 후에 안쪽 껍질(-1)의 오비탈에 전자가 채워진다.

원자번호	원소	K껍질(n=1)	L껍질(n=2)		M껍질(n=3)			N껍질(n=4)
		1s	2s	2p	3s	3p	3d	4s	4p
21 22 23 24 25 26 27 28 29	Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu	2 2 2 2 2 2 2 2 2	2 2 2 2 2 2 2 2 2	6 6 6 6 6 6 6 6 6	2 2 2 2 2 2 2 2 2	6 6 6 6 6 6 6 6 6	1 2 3 5 5 6 7 8 10	2 2 2 1 2 2 2 2 1

이들 중 6족(₂₄Cr)과 11족(₂₉Cu) 원소는 원자가전자가 1개씩인데, 이는 훈트의 규칙에 따라 더 안정한 전자배치 상태를 가지려는 경향 때문이다.

㉡ 전이 원소의 특징

ⓐ 족에 관계없이 원자가전자수가 1∼ 2개이므로 화학적 성질이 비슷하다.
ⓑ 대부분이 반응성이 작은 중금속으로 활성이 적다.
ⓒ d오비탈의 전자도 결합에 참여하므로 다양한 산화수를 가진다.
ⓓ 착이온이나 착화합물을 만드는 것이 많으며, 이온은 색깔을 띠는 것이 많다.
ⓔ 화학 반응에서 촉매로 작용하는 것이 많다.

나. 금속 원소와 비금속 원소

① 금속 원소

㉠ 원자가전자의 수는 1∼3 개로 전자를 잃어 양이온이 되기 쉽다.
㉡ 대부분이 고체(Hg만 액체)이고, 녹는점과 끓는점이 높다.
㉢ 열과 전기를 잘 전도함.
㉣ 주기율표의 왼쪽, 아래쪽에 위치한 원소일수록 금속성이 크다.
㉤ 대부분 산과 반응하여 수소기체를 발생하고 산화물은 염기성을 나타낸다.

② 비금속 원소

㉠ 원자가전자의 수는 4 개 이상으로 전자를 얻어 음이온이 되기 쉽다.
㉡ 대부분이 기체이고, 녹는점과 끓는점이 낮다.
㉢ 주기율표의 오른쪽, 위쪽에 위치한 원소일수록 비금속성이 크다.
㉣ 염기와 반응하며, 산화물은 산성을 나타낸다.

③ 양쪽성 원소 : Al, Zn, Sn, Pb, Ga, Ge, In, Sb, Bi, Po (약 10종)

㉠ 주기율표에서 금속 원소와 비금속 원소의 경계 영역에 위치한 원소들로 금속과 비금속 원소의 성질을 모두 나타낸다.
㉡ 산, 염기와 모두 반응하여 수소 기체를 발생한다.

2. 원소의 주기적 성질

(1) 원자 반지름

가. 원자 반지름의 결정

원자 반지름 : 원자핵으로부터 원자가전자까지의 평균 거리

① 단일 공유 결합 2원자 분자인 경우 : 두 핵들 사이의 거리의 반

(예) 염소의 원자반지름 = 0.198/2 = 0.099 nm

② 단일 공유 결합이고 2원자 분자가 아닌 경우 : 두 원자의 핵간 거리에서 알고 있는 원자의 반지름을 뺀 값

(예) 구리의 원자 반지름 = 0.256 nm / 2 = 0.128 nm

③ 비활성 기체인 경우 : 결정 상태에서 인접한 두 원자의 핵간 거리의 반 ☞ 반 데르 발스 반지름

나. 원자 반지름을 결정하는 인자

① 핵의 전하량 : 전자 껍질이 같더라도 핵의 전하가 증가하면 핵과 전자 사이의 정전기적 인력이 커지므로 전자 껍질이 핵으로 더 가까이 끌려 가게되어 반지름은 줄어든다
.

② 전자 껍질 : 전자 껍질 수가 많을수록 원자 반지름이 커진다. 전자 껍질의 영향이 핵의 전하량보다 훨씬 더 큰 영향을 미친다.

다. 원자 반지름의 주기성

원자 반지름은 금속성이 강할수록 커지며(주기율표의 왼쪽, 아래쪽에 위치한 원소), 비금속성이 강할수록 작아진다.

① 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 핵의 전햐량이 증가하기 때문에 원자 반지름은 감소한다.
② 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수가 증가함으로 원자 반지름도 증가한다.

라. 원자 반지름

① 금속 원소 : 원자 반지름 > (+) 이온 반지름 ==>양이온이 될 때 전자껍질수가 감소하므로
(예) Na > Na⁺

② 비금속 원소 : 원자 반지름 < (-) 이온 반지름 ==>음이온이 될 때 전자수 증가에 따른 전자끼리의 반발력이 증가하므로
(예) Cl < Cl^-

마. 이온 반지름

① 같은 주기 : 전자를 얻을수록 원자반지름보다 커지고, 잃을수록 원자반지름보다 작아진다.
② 같은 족: 원자 번호가 커질수록 증가한다. ==> 전자껍질수가 증가하므로
③ 전자수가 같은 이온 : 원자 번호(양성자수)가 클수록 작아진다. ==> 원자 번호가 클수록 원자핵의 인력이 커지므로
(예) 등전자 이온 반지름 크기 : ₈O^2- > ₉F^- > ₁₀Ne > ₁₁Na⁺ > ₁₂Mg²⁺

(2) 이온화 에너지

가. 이온화 에너지

: 기체 상태의 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어내는 데 필요한 에너지. 핵과 원자가전자 사이의 인력에 의해 결정되므로 주기성을 가지며, 금속은 이온화 에너지가 작은 원소로 양이온이 되기 쉽고, 비금속은 이온화 에너지가 큰 원소로 음이온이 되기 쉽다.

① 제 1 이온화 에너지(E₁) : 첫번째 전자 1몰을 떼어 내는데 필요한 에너지
M(g) + 에너지(E₁) → M⁺(g) + e^-

② 제 2, 3 이온화 에너지(E₂) : 두번째 전자를 떼어내는데 필요한 에너지
M⁺ (g) + 에너지(E₂) → M²⁺ (g) + e^-
M²⁺ (g) + 에너지(E₃) → M³⁺ (g) + e^-

나. 이온화 에너지의 결정

수소 원자에서 바닥 상태는 n=1 이고 그 에너지는 -1312KJ/몰이다. 또, 핵과 전자가 분리된 상태는 n=∞ 로, 그 에너지는 0 이다. 따라서, 수소 원자의 이온화 에너지 E = E∞ - E1 으로 구할 수 있다. E = 0 - (-1312) = 1312 (KJ/몰)

다. 이온화 에너지를 결정하는 인자들

① 핵의 전하 : 클수록 이온화 에너지는 증가
② 핵과 전자 사이의 평균 거리 : 작을수록 이온화 에너지는 증가
③ 가리움 효과 : 작을수록 이온화에너지는 증가

[도움학습] 가리움 효과 전자 B와 핵 사이의 정전기적 인력은 전자 B와 전자 A사이의 반발력 때문에 약해진다. 즉, 전자 A 는 전자 B를 잘 가린다. 그러나 전자 B는 전자 A를 가리지 못한다. 또, 전자 B와 전자 C는 같은 전자 껍질에 들어 있기 때문에 서로를 충분히 가리지 못하여 가리움 효과는 위의 두 경우으 중간 정도이다.

라. 제 1 이온화 에너지의 주기성

① 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수가 하나씩 증가하여 반지름이 커지므로 이온화 에너지는 감소한다.
② 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 핵 내의 양전하가 증가하므로 이온화 에너지는 증가한다.

마. 순차적 이온화 에너지

전자를 많이 가진 원자로부터 여러 개의 전자를 떼어낼 때 각 단계별로 필요한 에너지

① 순차적 이온화 에너지의 크기 : E₁ < E₂ < E₃ < …
이온화가 진행될수록(전자 수가 줄어들수록) 전자들 사이의 반발력은 감소하고 핵의 인력이 상대적으로 커지기 때문에 이온화 에너지는 증가.

② 순차적 이온화 에너지와 원자가전자 : 급증하기 직전의 이온화 에너지가 원자가 전자를 떼어내는데 필요한 에너지이므로 그 원자의 원자가전자 수를 알 수 있고 원소의 족 수를 알 수 있다.

원자	전자 배치			순차적 이온화 에너지
	K	L	M	E1 E2 E3 E4
11Na 12Mg 13Al	2 2 2	8 8 8	1 2 3	494 << 4561 < 6912 < 9544 736 < 1452 << 7732 < 10539 577 < 1816 < 2745 << 11577

(3) 전자 친화도

가. 전자 친화도

: 기체 상태의 중성 원자(X) 1몰이 전자 1몰을 받아들여 음이온으로 될 때 방출하는 에너지(단위 = kJ/mol).
① X 원자에 대한 전자 친화도 표시

② 염소 원자의 전자 친화도

나. 전자 친화도의 크기

① 전자 친화도 값이 (+) : 음이온이 될 때 에너지 방출하며 그 값이 클수록 안정
(Cl 보다 Cl^-가 안정, O 보다 O^2- 가 안정).
② 전자 친화도 값이 (-) : 음이온이 될 때 에너지 흡수.
③ 비활성 기체가 안정한 이유
㉠ 이온화 에너지가 크다. ▶ 전자를 내놓기 어렵다.
㉡ 전자 친화도가 작다. ▶전자를 받기 어렵다.
▶▶▶원자 자체로 매우 안정

다. 전자 친화도의 주기적 변화

① 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 전자 친화도는 감소
② 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 전자 친화도는 증가

[표] 이온화 에너지와 전자 친화도의 비교
구 분	정 의	경 향 성	성 질
이온화 에너지	전자를 떼어 내는데 필요한 에너지	(+)이온이 되려는 경향	작으면 (+)이온이 되기 쉽다.
전자 친화도	전자를 얻는 데 방출한 에너지	(-)이온이 되려는 경향	크면 (-)이온이 되기 쉽다.

(4) 원소의 주기적 성질

가. 금속성과 비금속성

: 주기율표에서 왼쪽, 아래로 갈수록 금속성이 증가하고, 오른쪽 위로 갈수록 비금속성이 증가한다.

나. 산화물

: 금속성이 클수록 염기성 산화물을 만들기 쉽고 비금속이 클수록 산성 산화물을 만들기 쉽다.

다. 녹는점과 끓는점

① 같은 주기 : 1∼13 족까지 증가, 14 족 최대, 15 족 이후 아주 낮아져 18족에서 최저.
② 같은 족 : 1, 2, 13, 14족 : 원자 번호 증가 -> 녹는점, 끓는점이 낮아짐.
15, 16, 17, 18족 : 원자 번호 증가 -> 녹는점, 끓는점이 높아짐.

라. 3주기 원소의 주기성

◈ 주기율표와 원소의 일반적 성질 ◈

: 주기율표에서 왼쪽 아래로 갈수록
① 금속성이 증가한다.
② 원자의 반지름이 커진다.
③ 이온화 에너지가 작아진다.
④ 전자 친화도가 작아진다.
⑤ 전자를 잃고 양이온이 되기 쉽다.
⑥ 산화되기 쉽다(환원력이 커진다).
⑦ (금속의) 산화물은 염기성이 되기 쉽다.