원소의 주기성

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

원소의 주기성

8.1 주기율표의 발전 8.2 원소의 주기적 분류

8.3 물리적 성질의 주기적 변화 8.4 이온화 에너지

8.5 전자 친화도

8.6 주족 원소의 화학적 성질 변화

8.1 주기율표의 발전

멘델레예프의 주기율표 (1869년)

• 원자의 질량에 따라 배열

• 원소의 성질을 기초로 하여 보다 정확하게 분류

• 아직 발견되지 않은 몇몇 원소들의 성질을 예측

현대 주기율표,

• 질량을 이용하여 정렬했을 시 문제점

• Ar(39.95 amu) > K(39.10 amu)

• 모즐리(Moseley 1913)

• 원소에 전자를 충돌시킬 경우 발생하는 X선의 진동수는 원소와 연관된다.

• 원자 번호에 따른 주기적 성질에 기초하여 배열

( )

v = a Z − b

8.2 원소의 주기적 분류

• 현대 주기율표의 원소는 전자가 부껍질에 채워진 유형에 따라 다음과 같이 분류됨

주족 원소(representative element 혹은 main group element)

1,2, 13

17

1A

7A

s

p

8A 족, 비활성 기체

헬륨을 제외한 비활성 기체는 p껍질이 완전히 채워져 있다.

헬륨: 1s²

나머지: ns²np⁶

전이 금속 (transition metal)

11

1B

12

2B

3

10

3B

8B

d

d

란타넘족과 악티늄족

완전히 채워지지 않은

f

f

7

원소의 분류

원자가전자(valence electron)

• 최외각 전자

• 원소의 화학 반응성을 주로 결정

• 같은 족의 모든 원소들은 원자가전자의 개수와 형태가 같음

• 원자가전자 배치가 비슷하므로 같은 족에 속한 원소들이 비슷한 화학적 성질

원소의 물성에 따른 분류

금속

• 분리된 분자 단위로 존재하지 않으므로 화학 반응식에서는 항상 실험식을 사용 (예: 철  Fe)

비금속

• 단일 규칙이 없음

• 탄소: C

• 수소, 질소, 산소, 할로젠족 원소는 이원자 분자로 존재하며, 화학 반응식에 분자식(H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂)을 사용

• 인 분자의 안정한 형태는 분자 P₄이므로, P₄를 사용

화학 반응식에서 자유 원소 표기

금속의 특성

• 주기율표에서 가장 많은 원소

• 성질

• 금속광택 (독특한 금속 색)

• 전성 (Malleable): 두드려 얇게 펼 수 있는 능력

• 연성 (Ductile): 철사처럼 가늘게 뽑을 수 있는 능력

• 강도 (Hardness)

• 단단한 것: 철 과 크롬

• 연한 것 : 소듐, 납, 금

• 열과 전기 전도도

• 실온 상태의 고체

• 수은만 액체 금속

• 화학적 반응성

• 반응성이 낮은 금속: 금, 백금

• 반응성이 큰 금속: 소듐, 포타듐

비금속의 특성

• 주기율표의 우측 상단에 위치

• 순수한 원소보다는 화합물 형태로 존재

• 많은 기체

• 단원자 기체

• 이원자 분자 기체

• 고체: 탄소, 요오드(I₂), 황(S₈), 인(P₄), ...

• 액체: 브롬(Br₂)

• 절연체: 열과 전기 전도도가 없음

• 화학적 반응성

• 반응성이 낮은 원소: 비활성 기체

• 반응성이 큰 원소: 할로젠 원소

• 금속과 반응하여 이온결합화합물을 형성

준금속의 특성

• 금속과 비금속의 경계에 있음

• 금속과 비금속의 특성을 공유

• 금속 광택

• 비금속처럼 부서지기 쉬움

• 반도체

• 전기 전도성

• 금속과 다소 비슷함

• 실리콘과 게르마늄

• 중성 원자와 같이 파울리 배타 원리와 훈트 규칙을 사용하여 양이온과 음이온의 바닥 상태 전자 배치

• 주족 원소의 원자에서 만들어진 양이온은 최고 점유

n

• 주족 원소의 원자에서 만들어진 음이온은 하나 이상의 전자가 최고 부분 점유

n

양이온과 음이온의 전자 배치

• 전이 금속 원자로부터 양이온이 형성될 때, 전자는 항상

ns

n

d

Fe: [Ar]4s²3d⁶

Fe²⁺: [Ar]4s⁰3d⁶ or [Ar]3d⁶ Fe³⁺: [Ar]4s⁰3d⁵ or [Ar]3d⁵

Mn: [Ar]4s²3d⁵

Mn²⁺: [Ar]4s⁰3d⁵ or [Ar]3d⁵

전이 금속에서 유래된 양이온

K : [Ar]4s¹ Ca: [Ar]4s²

Sc:[Ar]4s²3d¹ => Sc⁺ = [Ar]4s¹3d¹ => Sc²⁺ = [Ar]3d¹

4s

3d

4s 3d

양성자수 증가

[Ar] 3d⁶4s²

8.3 물리적 성질의 주기적 변화

유효 핵전하

(Effective nuclear charge, Z

Z

• 주기의 오른쪽으로 갈수록 원자가전자에 의해 느끼는 유효 핵전하는 더 큼

• 주기율표에서 아래쪽으로 갈수록, 유효 핵전하가 증가 실제적인 정전기적 인력은 감소

Z

Z

σ

σ < Z

σ = 가리움 상수)

유효 핵전하 ( Z

)

증가

Z

증가

Z

원자 반지름:두 개의 이웃한 금속 원자 내 혹은 이원자 분자 내 두 개의 핵간 거리의 절반

• 유효 핵전하는 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하기 때문에 원자크기는 감소

• 같은 족 내에서 아래로 갈수록

n

베릴륨과 같은 금속에서 원자 반지름은 이웃한 두 원자 중심간 거리의 반

아이오딘과 같은 이원자 분자로 존재하는 원소에서 원자 반지름은 분자 내 원자 중심간 거리의 절반으로 정의

원자 반지름의 주기적 경향성

23

음이온

• 중성 원자와 핵전하는 같지만 증가된 전자 때문에 생긴 반발력은 전자 구름의 영역을 확장

• 음이온의 반지름은 원자보다 더 큼 양이온

• 하나 이상의 전자를 제거하면, 전자간 반발력은 감소하지만 핵전하는 동일하게 유지

• 양이온의 반지름은 원자보다 더 작음

이온 반지름

원자 반지름과 이온 반지름 비교

이온 반지름 비교

• 원자 반지름과 이온 반지름간의 유사한 경향을 볼 수 있다.

• 같은 주기에서 원자번호가 증가할 수록 반지름이 작아진다.

• 같은 족에서 주 양자수가 증가할 수록 반지름이 커진다.

• 이온들이 등전자 일 때 이온간의 크기 비교

• 예) Na⁺ < F^- , Na(Z=11), F(Z=9)

• Al³⁺ < Mg²⁺ < Na⁺, Na(Z=11), Mg(Z=12), Al(Z=13)

• O^2- > F^-, O(Z=8), F(Z=9)

주기율표에서 물리적 성질의 변화

• 같은 주기

왼쪽에서 오른쪽으로 진행하면 : 금속 -> 준금속 -> 비금속 예) 3주기 원소

반응성이 큰 소듐으로 부터 시작하여 염소로 끝난다.

그 사이에 있는 원소들은 금속에서 비금속으로 바뀐다.

1. 소듐, 마그네슘, 알루미늄은 금속 결합을 이루고 있다.

2. Si는 준금속이며 원자가 서로 강하게 결합되어 거대한 3차원 구조를 갖는다.

3. 인부터의 원소들은 녹는점이 낮고 끓는점이 높은 분자 단위로 존재한다. (P , S , Cl , Ar)

8.4 이온화 에너지

이온화 에너지(ionization energy, IE): 바닥 상태에 있는 기체

원자로부터 한 개의 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지(kJ/mol)

• 이온화 에너지의 크기는 전자가 원자 내에 얼마나 “단단히”

붙들려 있는지에 대한 척도

• 전자가 원자로부터 제거될 때, 남아있는 전자간 반발력은 감소

• 핵전하는 상수로 남아있기 때문에 양전하 이온으로부터 또 다른 전자를 제거하는 데 더 많은 에너지가 필요

IE

IE

IE

IE

IE

IE

IE ₁ < IE ₂ < IE ₃

• 한 주기 내에서 원자 번호가 증가함에 따라 유효 핵전하가 증가하기 때문에 원소의 첫번째 이온화 에너지는 증가

• 같은 족에서 이온화 에너지는 원자 번호가 증가함에 따라 원자 반지름이 커지기 때문에 감소(즉, 족을 따라 아래로 내려감에 따라 감소 )

1차 이온화 에너지 증가

에너지 증가

1차 이온화 에너지의 주기적 경향성

29

원자 번호에 따른 일차 이온화 에너지의 변화

• 영족 기체는 이온화 에너지가 높음

• 알칼리 금속과 알칼리 토금속은 이온화 에너지가 낮음

1s

1s

2 1

1 2 s s

2 2

1 2 s s

2 2 1

1 2 2 s s p

2 2 2

1 2 2 s s p

2 2 3

1 2 2 s s p

2 2 4

1 2 2 s s p

2 2 5

1 2 2 s s p

2 2 6

1 2 2 s s p

2 2 6 1

1 2 2 s s p 3 s

2 2 6 2

1 2 2 s s p 3 s

2 2 6 2 1

1 2 2 s s p 3 3 s p

8.5 전자 친화도

전자 친화도(electron affinity, EA): 기체 상태에 있는 원자가 전자 하나를 받아들여 음이온을 형성할 때 발생하는 음의 에너지 변화

• 원소의 전자 친화도가 양의 값이 더 클수록, 전자를 받아들이는 원소의 한 원자의 능력이 증가

• 큰 양의 값을 갖는 전자 친화도는 음이온이 매우 안정 X _(g)

+ e

F _(g) +

e

H

e

H

33

8.6 주족 원소의 화학적 성질 변화

화학적 성질의 일반적 경향

• 동일 족에 속한 원소는 유사한 화학적 성질을 나타냄

• 대각선 관계(diagonal relationship)

• 2주기와 3주기의 원소 사이에 존재함.

-> B와 Si 는 반도체이고 halide를 형성 (BF₃, SiF₄)

• 양이온들의 전하 밀도(charge density)가 비슷하기 때문 =>

음이온과 만나, 비슷한 구조의 이온결합 화합물 형성

•전하 밀도: 이온의 전하를 부피로 나눈 값,

35

• 수소는 1A족으로 보이나, 실제 그 자체를 하나로 분류

•

s

• 수소는 NaH, CaH₂와 같은 이온 결합 화합물에서 수소화 음이온(H^-)을 형성

• 수소화 음이온은 물에서 수소 기체와 수산화물을 형성

• 수소의 가장 중요한 화합물은 물로 수소가 공기 중에서 연소할 때 형성

수소(1s ¹ )

• 유일한 원자가전자가 쉽게 제거 됨  낮은 이온화 에너지

• 화합물의 대다수에서 이 원소들은 1가 양이온 형성

• 반응성이 큼. 물과 반응하여 수소 기체와 금속 수산화물을 생성

• 공기 중에서 산소 기체와 반응하여 산화물을 형성 4Li(

s

g

s

• Li 이하의 모든 알칼리 금속은 과산화물(peroxide, O₂^2-) 형성 2Na(

s

g

s

• K, Rb, Cs 초과산화물(peroxide, O₂^1-) 형성 K(

s

g

s

1A족 원소( ns ¹ , n ≥ 2)

2M(

s

l

aq

g

• 알칼리 토금속은 알칼리 금속보다 반응성이 다소 작음

• 1차 이온화 에너지와 2차 이온화 에너지 모두 베릴륨에서 바륨으로 갈수록 감소

• M²⁺ 이온을 형성

• 금속성은 아래로 갈수록 증가

• 베릴륨 화합물(BeH₂ 및 BeCl₂ 등)과 몇몇 마그네슘 화합물(MgH₂)은 자연계에서 이온 결합보다는 분자성 화합물로 존재

• 베릴륨은 물과 반응하지 않으며, 마그네슘은 수증기와 서서히 반응하며, 칼슘, 스트론튬, 바륨은 찬물과도 반응

Be(

s

Mg(

s

aq

g

M(

s

aq

g

2A족 원소( ns ² , n ≥ 2)

• 베릴륨과 마그네슘은 높은 온도에서만 산화물(BeO, MgO)를 형성하는 반면, CaO, SrO, BaO는 상온에서 산화물을 형성

• 마그네슘은 수용액에서 산과 반응하여 수소 기체를 방출

• Sr-90은 원자 폭탄 폭발시의 주생성물. (몸에서 칼슘을 대체함)

3A족 원소들(ns²np¹, n ≥ 2)

• 첫 번째 원소인 붕소는 준금속이며 나머지 원소들은 금속

• 붕소는 이성분 이온결합 화합물을 형성하지 않으며 산소 기체, 물과 반응성이 없음.

• 알루미늄은 +3가 양이온만 형성

• 알루미늄은 공기 중에 노출되었을 때 쉽게 산화 알루미늄을 형성

• 알루미늄은 염산과도 반응

• 다른 3A족 금속 원소들은 1가와 3가 양이온을 형성 4Al(s) + 3O₂(g) 2Al₂O₃(s)

2Al(s) + 6H⁺(aq) 2Al³⁺(aq) + 3H₂(g)

• 4A족의 첫 번째 원소인 탄소는 비금속이며, 다음 두 원소인 규소와 저마늄은 준금속

• 금속 원소인 주석과 납은 물과 반응하지 않으나 산(예를 들어, 염산)과 반응하여 수소 기체를 발생

• 4A족 원소들은 +2와 +4의 산화 상태에서 화합물을 형성

• 탄소와 규소는 +4의 산화 상태에서 더 안정 (CO₂, SO₂)

• 4A족을 따라 아래로 내려가면, 안정성의 경향은 반대

• 주석화합물에서 +4가 +2의 상태보다 약간 안정 Sn(

s

aq

aq

g

Pb(

s

aq

aq

g

4A족 원소( ns ² np ² , n ≥ 2)

• 질소와 인은 비금속, 비소와 안티모니는 준금속, 비스무트는 금속

• 질소는 이원자 기체(N₂)로 존재, 많은 산화물(NO, N₂O, NO₂, N₂O₄, N₂O₅)을 형성

• 질소는 3개의 전자를 받아들여 질소화 이온(N^3-)을 형성하려는 경향

• 인은 P₄ 분자로 존재하며, P₄O₆와 P₄O₁₀의 화학식을 가진 두 개의 고체 산화물을 형성

• 중요한 산소산인 HNO₃와 H₃PO₄는 다음 산화물과 물이 반응하여 생성

N₂O₅(

s

l

aq

P₄O₁₀ (

s

l

aq

5A족 원소( ns ² np ³ , n ≥ 2)

• 산소, 황, 셀레늄은 비금속, 텔루륨과 폴로늄은 준금속

• 산소는 이원자 기체

• 황과 셀레늄의 분자식은 S₈과 Se₈

• 산소는 이온 결합 화합물에서 두 개의 전자를 받아들여 산화 이온(O^2-)을 형성하는 경향

• 황, 셀레늄, 텔루륨도 2가 음이온(S^2-, Se^2-, Te^2-)을 형성

• 가장 중요한 상업적 황 화합물은 황산으로 삼산화 황이 물과 반응할 때 형성

SO₃(

g

l

aq

6A족 원소( ns ² np ⁴ , n ≥ 2)

• 모든 할로젠 원소는 X₂의 일반적 화학식을 가진 비금속

• 할로젠 족은 반응성이 크기 때문에 원소 형태로 발견되지 않음

• 플루오린은 반응성이 커서 물과 반응하여 산소를 발생

• 할로젠 족은 이온화 에너지가 높고 전자친화도가 큰 양의 값

• 음이온(F^-, Cl^-, Br^-, I^-)은 할로젠화(halide) 이온, 주기율표에서 할로젠 원소 바로 오른쪽에 위치한 영족 기체와 등전자 상태

F₂(

g

l

aq

g

7A족 원소( ns ² np ⁵ , n ≥ 2)

반응성 증가

7A족 원소( ns ² np ⁵ , n ≥ 2)

• 알칼리 및 알칼리 토금속과 이온 결합 화합물 형성

• 할로젠 원소 상호간 분자 화합물(예를 들어 ICl, BrF₃) 형성. 다른 족 비금속 원소들과 분자 화합물(NF₃, PCl₅, SF₆)을 형성

• 할로젠 원소들은 수소와 반응하여 할로젠화 수소를 형성

X₂(

g

g

g

• 모든 영족 기체는 단원자 종으로 존재

• 영족 원자들은 완전히 채워진 외각

ns

np

s

• 이온화 에너지는 모든 원소들 중 가장 커서 여분의 전자를 받아들이는 경향이 매우 적음

• 반응성이 거의 없음(비활성 기체)

• 제논(xenon) 화합물 : XeF₄, XeO₃, XeO₄, XeOF₄

• 크립톤(krypton)화합물 : KrF₂

8A족 원소( ns ² np ⁶ , n ≥ 2)

8A족 원소( ns ² np ⁶ , n ≥ 2)

최외각 s 궤도에 1개 전자를 가지는 흡사한 외각 전자 배치를 가지지만, 다른 화학적 성질(이온화 에너지의 차이에 기인)

IE₁, (kJ/mol) Li : 520

Na: 495.9 K: 418.7

1A족과 1B족 원소의 비교

IE₁, (kJ/mol) Cu : 745 Ag: 731 Au: 890

ns

_{( n − 1) d ns}

주기에 따른 산화물의 성질

basic acidic

2

( )

( ) 2 ( )

Na O s + H O l  → NaOH aq SO g

( ) + H O l

( )  → H SO aq

( )