원소의 주기성 1 ★

figure 1. 여러 주기성의 대략적인 트랜드 출저 https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_table

 

1. 주기율표 (Periodic Table)

 

• 역대 주기율표 
  • 멘델레예프의 주기율표: 원자량 순서로 배열함 
  • 모즐리의 주기율표: 원자번호 순으로 배열, 현재의 주기율표 
• 주기: 주기율표의 가로줄 (1 ~7 주기)을 뜻함. 같은 주기의 원소는 전자 껍질수가 같음
  •  
• 족: 주기율표의 세로줄을 (1~18 족) 뜻함
  • 아래로 내려갈수록 원자의 크기가 커짐 
  • 원자핵으로부터 최외각 전자까지의 거리가 증가한다.  
•  유효핵전하
  • 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자가 전자의 유효 핵전하(Zeff)가 커진다 
  • 같은 족에서는 아래쪽으로 갈수록 유효 핵전하가 커진다 
  • 주기가 바뀌는 경우 급감한다. ( 아래 그래프 참고) 
  • Zeff = Z (핵전하 or 양성자수) - S (가리움 상수); 유효 핵전하는 결국 가리움 상수 같이 전자의 반박력을 고려한뒤 얻은 보정된 핵전하이다. 
    • 같은 껍질 안에 있는 전자 (n) = 0.35/개
    • 바로 안쪽 껍질 안에 있는 전자 (n-1) = 0.85/개
    • (n-2이상) = 1/개
    • ex) Al; 13 - (0.35*2 + 0.85*8 + 1*2) 
      • Z = 13, n = 2, n-1 = 8, n-2 = 2 
      • 슬레이터 규칙 및 가리움 효과는 굳이 다루지 않겠다. 그냥 혹시 모르니 계산법 정도만 알면 좋을듯 하다.   

figure 2. 유효 핵전하의 트랜드

 

• 원자 반지름 :원자 반지름은 두 개 원자간의 거리의 절반을 뜻함 
  
  • 주기성 경향
    • 주기율표에서 왼쪽 아래로 갈수록 커짐 (figure 1 참고) 
      • 같은 족: 원자번호 증가 시 껍질 수가 증가 = 반지름 증가 
      • 같은 주기: 원자 번호 증가 시 (+) 전하 증가하여 인력이 커짐 = 반지름 감소 
  • 이온 반지름 비교 ★ 
    • 등전자 화학종 (전자 수가 동일한 경우): O^2- > F^- > Na⁺ > Mg²⁺ Al³⁺
      • 양성자(원자번호) ↑ 인력↑ (서로 당기는 힘) 이론 반지름 ↓
      • 등전자 이온은 양성자가 크면 클수록 이온화 에너지가 높고 전자 친화도도 높다.
    • 같은 원자 (양성자수가 동일한) 비교: 양이온 < 원자 < 음이온 (가장 이온 반지름큼) 
      • 전자수↑ 반발력 ↑ 유효핵전하 ↓ 이온 반지름 ↑  

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2. 이온화 에너지 (Ionization Energy, IE): 중성기체 상태의 원자 1mol에서 전자 1mol을 제거하기 위해 필요한 에너지

 

• 중성 원자에서 IE는 항상 흡열이다. 
  • IE ↑ = 양이온성 ↓ = 금속성 ↓ = 산화 ↓ = 환원력 ↓ = 원자핵과 전자간의 결합력 ↑
• IE 가 증가 하는 상황
  • 같은 주기에서 오른쪽으로 이동 (원자번호/양성자수 증가) 
  • 같은 족에서 위로 (전자 껍질수 감소) 
• IE 주기적 경향성의 예외 
  • 아래 그림에서 하이라이트 친부분은 아래 두가지 예시중 하나임.   
    • 2 → 13 족: p 오비탈의 추가 즉 전자 껍질수 증가함 = IE 감소 
    • 15 → 16족: p 오비탈이 홀전자로만 존재하다가 짝지은 전자가 생김 = IE 감소
      • 홀전자만 있을때 전자를 떼어내기가 훨씬 쉬움

 

하이라이트 친 부분은 예외

 

 

 

 

3. 순차적 이온화 에너지 

 

• 전자는 떼면 뗄수록 점점 더 많은 에너지가 필요함 ( 1차 IE < 2차 IE < 3차 IE) 
• 순차적 이온화에너지를 묻는 것은 보통 순차적 이온화에너지 값을 통하여 특정하고자 하는 원소의 정보를 파악하기 위함.  보통 가장 큰 값을 보고 원자가 전자의 수를 파악할수 있으니 몇 족의 원소인지 단번에 알수 있다. 
• 체크 포인트 
  • 초록색 부분은 그 주기 원소중 이온화 에너지가 가장 큰 원소를 하이라이트 한것이다. 
    • Ar을 제외하고 자신의 (원자가 전자 +1)차 IE 에 가장 큰 IE 값을 가지는데 예를 들어 Na의 원자가 전자는 1개이고 이 공식을 따르면 (1+1)차 즉 2차 IE 에서 가장 큰 값을 가지는 원소는 Na 이다. 
      • 물론 같은 주기끼지 비교할때 한정이다. 그 이외는 잘 안물어보니 신경안써도 됨. 
  • 노란색 부분은 이온화 경향의 예외인데 (2 → 13 족) IE의 차수가 늘어날수록 예외가 한칸씩 밀려서 나타난다. 

	이온화 에너지 (Kj mol -1)
원소	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
1st IE	496	738	578	789	1010	1000	1251	1520
2nd IE	4560	1450	1820	1580	1900	2250	2300	2670
3rd IE	6910	7730	2750	3230	2910	3360	3820	3930
4th IE	9540	10500	11600	4360	4960	4560	5160	5770
5th IE	13400	13600	14800	16100	6270	7010	6540	7240
6th IE	16600	18000	18400	19800	21269	8500	9360	8780
7th IE	20100	21700	23300	23800	25400	27100	11000	12000