주기율 주족 원소 구조의 원리와 성질

원자의 성질은 전자 구조에 의해 결정됩니다. 원소의 화학적 성질은 전자 배치에 따른 궤도함수와 밀접한 관계가 있는 주기율표와 관련이 있습니다. 주기율표에 있는 각 주족 원소 간의 유관성을 파악하는 일은 물질의 근본 성질을 이해하는 데 아주 중요하며, 이러한 이해를 토대로 새로운 소재 물질을 개발할 수 있습니다. 요즘 우리가 대중매체를 통해 나노 단위의 반도체 관련 이슈를 자주 듣고 있습니다. 우리 일상에서 빼놓을 수 없는 과학기술에서 나노기술에 대한 요구는 점점 더 증가하고 있습니다. 나노기술은 궁극적으로 생체 내의 미시적 현상을 관측하고 치료까지 할 수 있는 바이오센서나 신물질을 개발하는 데 중요하고 이러한 물질을 개발하거나 융합하기 위해서는 원소와 화합물에 대한 근본적인 지식을 갖추는 것이 필수적입니다. 

이번 시간에는 일차적으로 원소의 성질과 화학을 주기적 경향의 관점에서 고찰하도록 하겠습니다. 

 

주기적 경향

동족 원소의 원자들은 원자가껍질의 전자 배치가 같아 유사한 화학적 경향을 보입니다. 그러나 주족 원소 중 상단에 있는 원소들은 크기가 작고 전자수가 적기 때문에 d-궤도함수가 없으므로 같은 족에 속에 있더라도 구별되는 성질을 보입니다. 수소화물과 산화물을 비교하고 화학 결합의 주기적 경향 또한 살펴보겠습니다. 

 

원자의 성질

원자가전자는 원소의 화학적 성질을 다르게 하며, 원자 배치에 따라 원자가전자가 받는 유효 핵전하와 깊은 관계가 있습니다. 원자가전자는 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 더 큰 유효 핵전하를 느낍니다. 그리고 같은 족에서는 위에서 아래로 갈수록 원자가전자에 대한 전자-원자핵 간의 인력이 감소합니다. 왜냐하면 원자가전자가 핵으로부터 점점 더 멀리 떨어진 전자껍질에 속해 있음으로 인해 핵전하의 영향력이 핵심부 전자에 의해 차폐되기 때문입니다. 주기율표에서 살펴보면, 우측 상단 불소 근처 원소들의 원자가전자는 핵으로부터 가장 큰 인력을 받는 반면, 좌측 하단 세슘 근처 원소들의 원자가전자는 가장 작은 인력을 받는 것입니다.   

 

동족의 원소들은 원자가껍질의 전자 배치가 동일합니다. 전자 배치는 원자의 결합수(원자가)를 결정하고 원소의 물리화학적 성질에 영향을 미칩니다. 각 원소의 고유한 성질은 주로 원자 반지름, 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기음성도, 편극성과 같은 다섯 가지 원자 성질에 의해 정해지는데, 이 특성들은 모두 유효 핵전화와 원자가껍질과 핵 간 거리의 경향성과 관련이 매우 큽니다. 

 

원자의 성질

원자 반지름

원자 반지름은 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 감소하고, 같은 족에서는 아래로 갈수록 증가합니다. 같은 주기 원자들의 경우 유효핵전하가 증가할수록 핵이 전자를 더 강하게 잡아당겨 원자 반지름이 작아지게 됩니다. 같은 족에서는 원자가전자가 핵으로부터 멀리 떨어진 전자껍질에 속할수록 원자 반지름이 증가합니다.   

 

이온화 에너지

일차 이온화 에너지는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 증가하고, 같은 족에서는 아래로 갈수록 감소합니다. 원자 반지름과 동일한 이유로 설명할 수 있는데, 유효 핵전하가 증가할수록 원자가전자를 더욱더 강하게 끌어당겨 원자 반지름은 감소하지만 이러한 이유로 핵으로부터 전자를 떼어내는데 필요한 에너지는 증가하는 것입니다. 또한 원자의 최외각 껍질과 핵으로부터의 거리가 멀어질수록 전자를 떼어내기 쉽습니다. 

 

전자 친화도

전자 친화도가 큰 원소는 주기율표에서 우측 상단에 위치합니다. 원소의 전자 친화도는 음이온을 형성할 때 방출되는 에너지로 정의합니다. 유효 핵전하를 크게 느낄 수 있는 원자가껍질에 전자가 추가될 때 에너지가 방출되므로, 불활성 기체를 배제하고, 불소 근처의 원소들이 가장 높은 전자 친화도를 갖습니다. 

 

전기음성도

전기음성도는 일반적으로 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 증가하고, 같은 족에서는 아래로 갈수록 감소합니다. 원자가전자에 대한 유효 핵전하가 클수록, 그리고 핵으로부터 전자의 거리가 가까울수록 결합 시 전자를 끌어당기는 정도는 더 강해집니다. 전기음성도는 원소가 화합물을 형성할 때 결합 전자쌍을 끌어당기는 경향을 결정하는 척도입니다. 따라서 원자들이 결합을 생성할 경우 어떠한 형태의 결합을 이룰지를 판단하게 합니다. 두 원소의 전기음성도 차이가 아주 큰 경우에는 이온 결합을 형성하지만, 전기음성도가 차이가 작은 경우에는 공유 결합을 형성합니다. 특히 공유 결합하더라도 전기음성도에 의해 극성을 갖게 되고 상대적으로 전기음성도가 더 큰 원자가 부분 음전하를 띱니다.    

 

편극성

편극성은 일반적으로 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 감소하고, 같은 족에서는 아래로 갈수록 증가합니다. 편극성은 전자 구름이 얼마나 쉽게 변형될 수 있는지를 나타내는 척도로, 같은 족에서는 전자 수가 많은 원자가 중성 원자보다는 음이온이 더 큰 편극성을 갖습니다. 반면에 인접한 원자나 이온의 전자 구름을 편극시키는 능력은 크기가 작고 전하량이 큰 양이온에서 크게 나타납니다. 따라서 편극성이 큰 원자 간에 결합할 경우, 공유 결합적 성격이 매우 강하게 됩니다.