이온화 에너지와 전자친화도

이온화 에너지

이온 화합물에서 원자이 서로 결합을 하는 것은 엄밀히 따지면 한 원자로 부터 전자가 빠져나와  다른 원자로 전자가 이동하면서 이루어 지는 것입니다. 원자로부터 전자를 빠져나오게 하는 데는 에너지가 필요한데 이를 이온화 에너지라고 부릅니다. 정확하게는 기체 상태의 원자로부터 전자를 제거하는 데 필요한 에너지라고 정의할 수 있습니다. 

원자에서 떨어져 나온 전자를 자유 전자라고 하는데 이 때 에너지는 0입니다. 그리고 이온화 에너지의 단위는 원자 한 개에 대해서는 볼트(V) 단위로, 원자 1 몰에 대해서는 몰당 킬로주울(kj/mol)로 나타냅니다. 

 

일차 이온화 에너지는 기체 상태의 중성원자로부터 전자를 제거하는 데 필요한 에너지입니다. 

이차 이온화 에너지는 +1가 전하는 가진 기체 상태의 양이온으로부터 전자를 제거하는 데 필요한 에너지입니다.

 

이온화 에너지는 전자를 떼어 내기 힘든 적도이므로, 이온화 에너지가 작은 원소는 양이온으로 되어 고체 상태에서 전기를 잘 흐르게 하는 특성을 가집니다. 반면에 이온화 에너지가 큰 원소의 경우는 양이온이 되기 힘들며 반대의 특성을 지닙니다. 주기율표에서 일차 이온화 에너지의 크기는 원자 반지름 크기의 분포와 비슷한 경향을 보입니다. 같은 주기에서 예외가 있긴 하지만, 전체적으로 일차 이온화 에너지는 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 증가하는 경향을 보입니다. 주기가 바뀌어 다음 주기가 시작할 때는 더 낮은 값으로 떨어집니다. 최소값은 주기율표의 왼쪽 하단에서 생기고, 최대값은 오른쪽 상단에서 생기는 것을 볼 수 있습니다. 

같은 족에서 이온화 에너지는 원자 반지름과 반대로 아래로 갈수록 감소하는데, 왜냐하면 주기가 바뀔 때마다 최외각 원자가전자는 핵에서 거리가 먼 껍질을 점유하여 핵에 덜 단단히 붙들려 있기 때문입니다. 같은 주기에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 가 수록 유효 핵전하가 증가하고 최외각 전자와 핵 간의 인력이 강하여 전자를 떼어낼 때 필요한 이온화 에너지가 증가합니다. 이러한 경향을 벗어나는 경우가 있는데, 같은 궤도함수를 점유하고 있는 전자들 간에 반발력 때문입니다. 

 

원소의 이차 이온화 에너지는 항상 일차 이온화 에너지보다 큽니다. 다시 말해 양전하를 띤 양이온에서 전자를 제거할 때 더 큰 에너지가 필요하다는 말입니다. 1족에 속한 원소들은 이차 이온화 에너지가 일차 이온화 에너지보다 큰데 반해 2족에 속한 원소들은 두 이온화 에너지들이 비슷한 크기를 가집니다. 이러한 차이는 원자가껍질 전자 배치 때문입니다. s-궤도함수에서 전자가 2개 채워질 수 있는데, 이때 1족은 최외각 s-궤도함수에 전자1개를 2족은 2개의 전자를 가지고 있습니다. 첫 번째 전자를 제거하는 데는 약간의 에너지만 필요하지만 두 번째 전자는 비활성 기체 핵심부에서 제거되어야 하기 때문입니다. 핵심부 전자들은 주양자수가 작아서 핵에 훨씬 더 가까원 더 강하게 끌리기 때문에 더 많은 에너지가 필요합니다. 

 

전자친화도

전자 친화도란 기체상태 원자에 전자를 추가할 때 방출되는 에너지를 말합니다.  전자 친화도가 높다는 것은 원자에 전자가 추가될 때 많은 에너지가 방출됨을 의미합니다. 전자 친화도가 음수이면 전자를 원자에 추가할 때 에너지를 공급해 주어야만 합니다. 전자진화도의 단위는 원자 한 개에 대해서는 볼트(V) 단위로, 원자 1 몰에 대해서는 몰당 킬로주울(kj/mol)로 나타냅니다. 

 

주기율표에서의 전자친화도는 비활성 기체들을 제외하고, 오른쪽으로 갈수록 커진다는 것이 명확하게 나타납니다. 특히 오른쪽 상단에 있는 산소, 황 및 할로겐 원소들의 전자 친화도가 아주 큽니다. 이 원소들에 추가되는 전자는 유효 전하가 큰 핵에 가까운 p-궤도함수로 들어가므로 전자와 핵 간의 인력을 강하게 받습니다. 예외라고 했던 비활성 기체들의 전자친화도는 음수인데 그 이유는 추가되는 전자는 핵에서 거리가 먼 닫힌 껍질 바깥에 있는 궤도함수를 점유하게 되는데 이 과정에는 에너지가 필요하기 때문입니다. 따라서 방출된 에너지를 음수로 표기하게 되는 것입니다.  

 

17족 원자들의 전자배치를 보면 최외각 원자가껍질의 빈 자리 한 개에 들어가면 그 껍질은 완전히 채워집니다. 여기에 한 개의 전자가 더 추가되면 새로운 껍질로 채워져야하는데, 새 껍질의 전자는 핵에서 거리가 멀어질 뿐만 아니라 이미 존재하고 있던 음전하의 반발력까지 받게 됩니다. 따라서 17족 할로겐 원소들의 이온 화합물은 -1가 음이온이 됩니다.