[원자의 구조와 주기성] 원자 내 전자의 배치 구조 - 1부

전자의 스핀

원자에 들어 있는 전자들의 배치는 전자들이 어떤 원자 오비탈에 채워지는지를 의미한다. 오비탈에 전자들이 채워지는 방식을 이해하기 위해서는 먼저 전자의 스핀과 파울리(Wolfgang Pauli; 1900-1958)의 배타원리(Exclusion Principle)를 이해하여야 한다.

전자의 스핀은 엄밀한 의미로는 상대성 효과에 의한 것 이지만, 보통은 전자 자체가 자전을 하면서 가지게 되는 독특한 고유의 성질이라고 생각하면 이해하기 쉽다.

즉 지구가 태양 주위를 공전하면서 동시에 남북을 연결하는 지축을 중심으로 자전을 하는 것처럼, 전자는 원자 핵 주위를 운동하면서 동시에 스스로 자전하는 특성이 있는데, 그림 1에 나타낸 것처럼 회전축을 중심으로 시계 방향으로 자전하는 경우와 시계 반대 방향으로 자전하는 두 가지 자전 운동 방식만 가능하도록 제한되어 있다. 

이 두 가지 상태는 스핀 양자수 ms 값에 의하여 구분 되는데, 이중 한 가지는 ms=+1/2이고  α 스핀 함수(또는 ↑ 기호로)로 표시되고 다른 한 가지는 ms=-1/2이고 β 스핀 함수(또는 ↓ 기호로)로 표시된다. 

그림 1 전자의 스핀을 설명하는 모델

한편 파울리의 배타 원리는 ‘한 원자에 있는 어떤 두 전자는 네 가지 양자수를 모두 다 동일하게 가질 수 없다’고 표현할 수 있는데, 간단하게 말하면 하나의 원자 오비탈에는 전자가 두개까지만 채워질 수 있으며, 이 때 두 전자중 하나는 α 스핀, 다른 하나는 β 스핀 상태로 서로 짝지어진다.

원자 오비탈의 에너지 순서

원자 내 전자 배치를 이해하기 위해서는 각 오비탈들의 상대적인 에너지 순서를 이해하여야 한다. 

수소 원자처럼 전자가 하나만 있을 경우에는 오비탈의 에너지가 수소 원자에서 각 오비탈들의 에너지과 같이 오직 주 양자수에 의해서만 결정 되지만, 한 원자 내에 두개 이상의 전자가 있으면 오비탈의 에너지는 그림 2와 같이 주 양자수 뿐만 아니라 부 양자수에 의해서도 영향을 받는다. 그러나 자기 양자수에는 의존하지 않는다.

그림 2 전자가 2개 이상일 때의 오비탈 에너지

각 오비탈들의 에너지가 증가하는 순서는 다음과 같으며, 

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, ...

이 순서를 외우기 쉽게 그림으로 표시하면 그림 3과 같게 된다. 

그림 3 다-전자 원자에서 전자들이 채워지는 순서

이제 파울리 배타원리를 함께 고려해 보면, l값으로 구별되는 오비탈들에 채워질 수 있는 최대 전자의 수를 알 수 있다. 즉 s-오비탈의 l=0이며 m=0만 가능하기 때문에 하나의 s-오비탈만 가능하며, 따라서 파울리 배타 원리에 의하여 전자가 2개까지만 채워질 수 있다. 

그러나 p-오비탈의 l=1이고 m=-1,0,+1 3가지가 가능하기 때문에 세 개의 서로 다른 p-오비탈들이 있으며, 각 오비탈에는 파울리 배타원리에 따라 전자가 두개씩 채워지므로 p-오비탈들에는 총 6개까지의 전자가 들어갈 수 있다. 

동일한 방식으로 따져보면 d-오비탈들에는 10개까지, f-오비탈들에는 14개까지 전자가 채워질 수 있음을 알 수 있다.

[Chemistry/General Chemistry] - [원자의 구조와 주기성] 원자 내 전자의 배치 구조 - 2부

[Chemistry/General Chemistry] - [원자의 구조와 주기성] 원자 내 전자의 배치 구조 - 3부