[원자의 구조와 주기성] 원자 내 전자의 배치 구조 - 2부

원자 내 전자의 배치

원자 내의 전자가 어떤 오비탈에 몇 개씩 채워지는지를 원자 내 전자 배치(Electron Configuration)라고 하는데, 그 가능한 방법은 무수히 많다. 그러나 그러한 많은 방법들 중에서 가장 중요한 것은 원자가 가장 낮은 에너지를 가지는 상태이며, 이것을 바닥상태(Ground State) 전자배치라 부른다. 

따라서 에너지가 낮은 오비탈부터 파울리 배타원리를 지키면서 순차적으로 전자를 채워나가면 (즉 각 오비탈에 채울 수 있는 가능한 최대 수 까지 전자를 채워 가면서) 바닥상태 전자 배치를 얻게 된다.

이러한 방법을 쌓음원리(축조원리, Aufbau Principle)라고 부른다. 예를 들면, 탄소(C) 원자에는 6개의 전자가 있기 때문에 이것을 에너지가 낮은 오비탈부터 채워나가면 1s-오비탈에 2개의 전자를 채운 후, 2s-오비탈에 2개의 전자를 채우고 나머지 4개의 전자를 2p-오비탈에 채워 넣으며, 이러한 전자 배치를 1s22s22p4로 표시한다.

원자 번호가 14번인 규소(Si) 원자에는 전자가 14개 있기 때문에 Aufbau Principle에 의하여 바닥상태 전자 배치를 구하면 1s22s22p63s23p4가 되고, 원자번호 32번인 게르마늄(져마늄, Ge)의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p4이다. 동일한 방식으로 주기율표에 있는 모든 전자의 바닥상태 전자 배치를 예측할 수 있다.

전자의 배치의 주기성

불소, 염소, 브롬, 요오드 원자들의 바닥상태 전자 배치에 나타난 공통점을 잘 보여준다. 즉 가장 바깥쪽 오비탈이 단지 주 양자수만 다를 뿐 공통적으로 p-오비탈이며 또한 여기에 채워진 전자의 수가 5개라는 사실이 공통이다.

원자의 화학적 성질이란 원자가 다른 원자와 접근하였을 때 어떤 거동을 할 것인가에 따라 정해지는데, 그것은 원자의 안쪽에 몇 개의 전자가 있는지 보다는 가장 바깥쪽에 있는 전자의 수에 의하여 결정된다. 

한편 s-, p-, d-오비탈들이 모양은 다르지만 주양자수가 같으면 공간적인 크기가 대체로 비슷하기 때문에 최외각 전자의 수를 따질 때는 s-오비탈과 p-오비탈에 있는 전자의 수를 합하여 생각하여야 한다. 

따라서 불소, 염소, 브롬, 요오드 원자들의 바닥상태는 최외각 전자가 7개라는 공통점을 가지며 그에 따라 이들 원소들이 유사한 화학적 거동을 할 것으로 예측할 수 있다. 실제로 불소, 염소, 브롬, 요오드의 화학적 특성은 여러 면에서 매우 비슷하다. 

이와 같이 비슷한 화학 성질들을 가지는 원소들의 집합을 족(Group)이라고 부르며, 주기율표에서 위아래로 한 줄에 배치된다. 그림 1은 첫 18개 원소들의 최외각 전자 배치를 보여준다. 그림 2은 모든 원소들의 최외각 전자껍질의 오비탈을 나타낸 그림이다.

최외각의 전자껍질이 s- 또는 p-오비탈인 원소들을 주족원소(Main Group Elements) 또는 전형원소(Representative Elements)라고 부르고, d-오비탈인 원소를 전이금속(Transition Metals)라고 부른다.

또한 [Xe]6s25d1의 전자 배치를 가지는 란탄 이후의 14원소는 란탄족(Lanthanides), [Rn]의 전자 배치를 가지는 악티늄 이후의 14원소는 악티늄족(Actinides)라고 부르며, 란탄족과 악티늄족을 합하여 내부전이금속(Inner Transition Metal)이라고 부른다.

그림 1 첫 18개 원소들의 최외각 전자배치.

그림 2 모든 원소들의 최외각 전자껍질의 오비탈을 표시한 그림.

그림 3 각 원소의 원자번호, 원소기호, 그리고 외각 전자배치.

한편 수소에서 출발하여 원자번호가 증가하는 순서에 따라 각 원자의 바닥상태 전자 배치를 구한 후, 그것들을 비교해 보면 동일한 최외각 전자 배치를 가지는 것들이 주기적으로 되풀이하여 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 원자 번호의 증가에 따라 화학적 성질들이 비슷한 원소들이 주기적으로 나타남을 의미한다. 이러한 주기성을 알기 쉽게 표로 정리한 것이 바로 그림 3의 주기율표다.

주기율표에서 위아래의 한 열에 포함된 원소들을 족(Group)이라고 부르며 그 족에 속한 원소들이 나타내는 성질에 따라 정해진 이름을 사용한다. 예를 들어 F, Cl, Br, I는 할로겐족이라고 부르며 Li, Na, K, Rb, Cs는 알카리족이라 부른다.

이전에는 1A, 2A, ..., 7A, 8A와 같이 최외각의 s와 p 오비탈에 들어있는 전자의 수에 해당하는 1부터 8 사이의 숫자와 주족원소임을 표시하는 A라는 문자를 조합하여 족을 표시하였지만, 최근에는 그림 3에서 각 족의 윗부분에 푸른색으로 쓰여진 1부터 18까지의 숫자를 사용하여 족을 표시하도록 권장되고 있다. 예를 들어 7A족을 17족이라고 표시한다. 

한편 최외각 전자 한편 주기율표에서 가로방향의 행을 주기(Period)라고 부르는데 Li에서 Ne까지를 2주기 원소들, Na에서 Ar까지를 3주기 원소들이라고 부른다. 주기를 나타내는 숫자는 최외각 전자 껍질의 주 양자수의 값에 해당한다.

[Chemistry/General Chemistry] - [원자의 구조와 주기성] 원자 내 전자의 배치 구조 - 1부

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