주기율의 이해: 원자의 궤도함수와 전자배치

주기율표는 과학시간에 기본적으로 외웠던 기억이 대부분 있을 것입니다. 외우는 방법도 있었지요. 주기율표 내 원소들의 구성을 이해하기 위해서는 원소들의 전자 배치를 생각해야 합니다.

원자와 궤도함수

원자의 전자들은 궤도함수들을 점유합니다. 원자의 핵은 전자를 세게 끌어당겨서 전자의 에너지를 낮춥니다. 하지만 전자들은 서로 반발하고 이 반발력은 핵의 인력에 대항하여 궤도함수들의 에너지를 높입니다. 이러한 전자와 전자 사이의 반발력과 핵과 전자 사이의 인력을 계산하여 전체 포텐셜 에너지를 구합니다. 

원자를 구성하는 전자의 수는 원자의 성질을 결정하는 데 중요합니다. 전자가 한 개인 수소 원자에는 전자와 전자 간 반발력이 없어 동일한 껍질에 있는 궤도함수들은 에너지가 같습니다. 하지만 다전자 원자에서는 전자와 전자 간 반발력 때문에 동일한 껍질에서도 궤도함수들 간에 에너지가 다릅니다. 동일 껍질에서 궤도함수들의 에너지 순서는 s<p<d<f 입니다. 하지만 궤도함수들의 정확한 에너지 순서는 원자 내 전자 수에 따라 달라질 수 있습니다. n=3인 껍질에서는 3s-궤도함수와 3p-궤도함수 순서대로 전자가 채워지고 다음 전자에서는 3d-궤도함수가 아니라 4s-궤도함수를부터 채우기 시작합니다. 왜냐하면 4s-궤도함수의 에너지가 3d-궤도함수의 에너지보다 약간 낮기 때문입니다. 여기에 해당하는 원소가 칼륨과 칼슘으로 전자수가 19, 20이므로 전자배치가 4s-궤도함수부터 채우게 됩니다. 3p-궤도함수가 채워지고 나면 4p-궤도함수를 채우게 됩니다. 

 

전자배치와 주기율표

주기율표는 쌓음 원리에 따라 점유된 마지막 부껍질(마지막 궤도함수)의 기호를 따서 s, p, d, f 구역으로 나뉩니다. s 및 p 구역들은 주기율표의 주족을 이룹니다. 동일한 주족에 해당하는 원소들은 원자가전자 배치가 비슷하기 때문에 성질 또한 비슷합니다.

주기 번호는 원자가껍질의 주양자수에 따라 붙입니다. 왜냐하면 주기가 하나씩 증가함에 따라 주양자수가 1씩 더 큰 껍질들이 점유되기 때문입니다. 1주기에 속하는 원소는 수소와 헬륨 두 개 뿐인데, 여기서는 n=1인 껍질의 유일한 궤도함수이 1s-궤도함수에 전자가 두 개 채워집니다. 2주기는 리튬에서 네온까지의 8개 원소로 구성되어 있으며, 한 개의 2s-궤도함수와 세 개의 2p-궤도함수들에 전자가 8개 더 채워집니다. 3주기에는 한 개의 3s-궤도함수와 세 개의 3p-궤도함수들에 전자가 8개 더 추가됩니다. 4주기에는 한 개의 4s-궤도함수와 세 개의 4p-궤도함수들에 전자가 8개 더 채워질 뿐만 아니라 3d-궤도함수들에도 전자가 열 개 채워지게 되어 총 18개의 전자가 더 채워지게 되는 샘입니다. 

 

주기율표와 원자 성질

주기율표를 이용하면 원자의 성질을 이해하는 데 굉장히 유용합니다. 그 중 하나는 최외각 원자가전자의 유효 핵전하가 원자 번호에 따라 다르다는 것입니다. 유효 핵전하는 같은 주기에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 증가하다가 최외각 전자가 새 껍질에 들어가면 극격하게 감소합니다. 전자들은 공간에 퍼져 있기 때문에 핵전하를 잘 가리지 못하고, 따라서 유효 핵전하는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 증가하게됩니다. 유효 핵전하가 증가하면 전자들은 더 내부쪽으로 끌리게 되어 원자의 크기는 더 작아집니다.

원소의 크기는 원자 반지름을 이용하여 나타냅니다. 사실 원자의 전자 구름은 뚜렷한 경계를 가지고 있지 않아서 원자의 정확한 반지름을 측정할 수는 없습니다. 하지만 원자들이 고체에서처럼 집합되어 있거나 결합하여 분자를 형성할 때는 원자들의 중심이 서로 일정한 거리만큼 떨어져 있습니다. 이러한 특성을 이용하여 원자 반지름을 측정하는데, 인접한 두 원자들의 핵간 거니의 반으로 정의하고 있습니다. 이 때 원소가 비금속이거나 준금속일 경우 화학 결합으로 연결된 원자들의 핵간 거리의 반은 원소의 공유 반지름이라고도 부릅니다. 비활성 기체들의 원자 반지름은 van der Waals 반지름을 사용하는데 그 이유는 원자들이 화학적으로 결합되어 있지 않기 때문입니다. van der Waals 반지름은 보통 공유 반지름보다 훨씬 크기 때문에 경향성을 비교할 때는 대체로 포함시키지 않습니다.  

같은 족에 해당하는 원소들에서는 아래로 갈수록, 예를 들어 리튬에서 세슘으로 갈수록 원자 반지름이 증가합니다. 주기가 늘어날 수록 최외각 원자가전자는 핵에서 거리가 더 멀어진 껍질을 점유하기 때문입니다. 

 

주기율표는 원자의 전자배치와 밀접한 관계가 있고, 이러한 전자배치에 따라 원소의 특정이 달라짐을 알아보았습니다.