원자의 주기적 성질 7

7장에서 배울 내용

7.1 주기율표의 발전

주기율표의 발전에 있어 발견과 중요한 순간들을 배운다.

7.2 유효 핵전하

유효 핵전하의 개념, 최외각 전자 또는 원자가 전자와 핵 사

이의 힘, 그리고 주기율표를 통하여 이들이 어떻게 변하는

지를 이해한다.

7.3 원자의 이온의 크기

원자와 이온의 상대적인 크기와 이들의 주기율표에서의 위

치와 유효 핵전하의 경향성을 공부한다.

7.4 이온화 에너지

원자로부터 한 개 또는 그 이상의 전자를 제거하는 데 필요

한 이온화 에너지에 대해서 배운다. 이온화 에너지의 주기

적 경향에 영향을 주는 것은 유효 핵전하와 원자 반지름의

변화이다.

7.5 전자 친화도 한 개의 전자가 원자에 더해질 때 방출되는 에너지인 전자

친화도와 주기적 경향을 배운다.

7.6 금속, 비금속, 준금속 금속의 물리적 성질과 화학적 성질이 비금속의 성질과 다르

다는 것을 배운다. 이런 성질의 차이는 원자의 기본적 성질,

특히 이온화 에너지로부터 나타난다. 준금속은 금속과 비금

속의 중간적인 성질을 나타낸다.

7.7 1A금속과 2A 금속의 경향 1A금속과 2A 금속의 화학적, 물리적 성질의 주기적 경향을

배운다.

7.8 일부 비금속의 경향 수소와 16, 17, 18족 원소의 화학적, 물리적 성질의 주기적

경향을 살펴본다.

주기율표의 발전

이름 시기 업적

Aristotle ~330 BC

4원소설: 흙, 공기, 불, 물

Antoine Lavoisier

~1770-1789

처음으로 33 원소들에 대하여 정리하여 기록 금속과 비금속 구별

Jöns Jakob Berzelius 1828

원자량 표 개발 원소의 기호화

Johann Döbereiner 1829

'triads' 개발: 원소들을 비슷한 성질을 가진 3 원소의 그룹으로 만듦 Lithium, sodium & potassium => a triad. Calcium, strontium & barium => a triad. Chlorine, bromine & iodine => a triad. Law of triad: 하나의 triad 에서 중간의 원자량을 가진 원소의 원자량은 다른 두 원소의 원자량의 평균이다.

John Newlands 1864

알려진 원소들(>60)을 원자량 순으로 정리 => 첫 번째와 아홉 번째 원소가 비슷한 성질, 두 번째와 열 번째 원소가 비슷한 성질, … 을 갖는다는 것을 발견 =>'Law of Octaves' 제안

from http://mooni.fccj.org/~ethall/period/period.htm

2장

주기율표의 발전

이름 시기 업적

Lothar Meyer 1869

56개의 원소로 이루어진 주기율표 편찬. (<=원자량 순으로 배열하였을 때 부피의 주기성에 근거하여 편찬) Mendeleev의 주기율표와 거의 비슷

Dmitri Mendeleev

1869

원자량에 근거한 주기율표 개발.(<=비슷한 성질을 가진 원소들의 주기성을 바탕으로 개발) 알려져 있지는 않았지만 있을 것이라고 예측한 원소의 자리는 비워둠 (예, gallium, scandium, germanium)

from http://mooni.fccj.org/~ethall/period/period.htm

2장

주기율표의 발전

이름 시기 업적

William Ramsay

1894 다른 원소들과 다른 성격을 사진 불활성 기체(Noble Gases (Ar)) 발견 주기율표를 확장

Henry Moseley

1914 원자 번호(atomic numbers)의 개념을 도입하고 원자 번호가 양성자의 개수와 같음을 밝힘 원자 번호에 따라 배열할 때 원소의 주기적 성격이 뚜렷해짐을 밝힘

Glenn Seaborg

1940 우라늄 이후의 원소(transuranic elements)를 합성 주기율표를 확장

from http://mooni.fccj.org/~ethall/period/period.htm

주기율표의 발전

유효 핵전하

침투(Penetration)와 가리움(Shielding)

2s orbital의 침투

2p orbital에 가리움 효과

2s, 2p 3s, 3p, 3d

유효 핵전하 3s > 3p > 3d

218 )(10178.2nZJEn

−×−= 핵전하가 클수록 낮은 에너지 준위

Ens < Enp < End < Enf ...

6장

유효 핵전하

Zeff = Z -S

Zeff: 유효 핵전하 (effective nuclear charge) Z: 핵전하 S: 가려막기 상수(가리움 상수) (screening constant, shielding constant)

유효 핵전하

Slater’s rule

Zeff = Z -S

Zeff: 유효 핵전하(effective nuclear charge) Z: 핵전하 S: 가려막기 상수(가리움 상수, screening constant, shielding constant)

1. 원자 궤도를 다음과 같은 순서로 그룹화 한다: [1s] [2s,2p] [3s,3p] [3d] [4s,4p] [4d] [4f] [5s, 5p] [5d] ….. 2. 각 그룹에 있는 하나의 전자는 같은 그룹에 있는 다른 전자와 그 앞의 그룹에 있는 전자에

의해 가리움 효과를 느낀다. 3. 각 그룹에 있는 하나의 전자가 느끼는 가리움 상수는 다음의 가리움 효과 기여도의 합이다.

그룹 같은 그룹에 있는 다른 전자

주양자수=n, 부양자수<l

인 그룹의 전자

주양자수= n-1 인 그룹의 전자

주양자수< n-1 인 그룹의 전자

[1s] 0.3 N/A N/A N/A

[ns,np] 0.35 N/A 0.85 1

[nd] or [nf] 0.35 1 1 1

유효 핵전하

Slater’s rule

Zeff = Z -S

[1s] [2s,2p] [3s,3p] [3d] [4s,4p] [4d] [4f] [5s, 5p] [5d] …..

그룹 같은 그룹에 있는 다른 전자

주양자수=n, 부양자수<l

인 그룹의 전자

주양자수= n-1 인 그룹의 전자

주양자수< n-1 인 그룹의 전자

[1s] 0.3 N/A N/A N/A

[ns,np] 0.35 N/A 0.85 1

[nd] or [nf] 0.35 1 1 1

Ex) Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2

원자와 이온의 크기

원자 반지름(Atomic Radius)

반지름 ??

공유 반지름(Covalent atomic radius) : 단일 결합을 가진 이원자 분자에서 핵 사이 거리의 반(그런 경우가 발견되지 않을 경우에는 r 을 추정)

금속 반지름(Metallic radius) : 조밀 쌓음을 하는 금속 고체에서 핵 사이 거리의 반 (그런 경우가 발견되지 않을 경우에는 r 을 추정)

van der Waals 반지름(van der Waals radius, 비결합 반지름) : 한 종류의 두 원자가 화학 결합을 가지지 않고 가장 가까이 접근할 때, 핵 사이 거리의 반

원자와 이온의 크기 원자 반지름의 주기적 경향성

Ex) methyl mercaptan에서 C-S, C-H, S-H의 결합 길이를 추정하시오.

C-S 결합 길이 ＝C의 반지름 ＋ S의 반지름＝ 0.77 Å ＋ 1.02 Å ＝ 1.79 Å C-H 결합 길이 ＝ 0.77 Å ＋ 0.37 Å ＝ 1.14 Å S-H 결합 길이 ＝ 1.02 Å ＋ 0.37 Å ＝ 1.39 Å

원자와 이온의 크기 이온 반지름의 주기적 경향성

rx > rx+ rx < rx-

+

등전자 계열(Isoelectronic series): 동일한 수의 전자를 갖는 원자와 이온 그룹

Ex) O2－, F－, Na+, Mg2+, Al3+

Zeff :↑, r :↓

이온화 에너지 순차적 이온화 에너지의 변화

이온화 에너지(Ionization energy): 기체 상태의 원자나 이온의 바닥 상태에서 전자 하나를 제거하는 데 필요한 최소의 에너지

X(g) → X+(g) + e- ∆H : Ionization Energy

Al(g) → Al+(g) + e- I1 = 578 kJ/mol Al+(g) → Al2+(g) + e- I2 = 1817 kJ/mol Al2+(g) → Al3+(g) + e- I3 = 2745 kJ/mol Al3+(g) → Al4+(g) + e- I4 = 11,577 kJ/mol

1차 이온화 에너지(first ionization energy) 2차 이온화 에너지(second ionization energy)

:

e-

IE > 0, IE가 클수록 전자를 떼어내기 어렵다.

이온화 에너지 1차 이온화 에너지의 주기적 변화

이온화 에너지 1차 이온화 에너지의 주기적 변화

N(g) → N+(g) + e-

N+:1s22s22p2

N:1s22s22p3

O(g) → O+(g) + e-

O:1s22s22p4

O+:1s22s22p3

Be(g) → Be+(g) + e-

Be+:1s22s1

Be:1s22s2

B(g) → B+(g) + e-

B:1s22s22p1

B+:1s22s2

d-, f-block 금속의 I1은 큰 변화 없음

이온화 에너지 이온의 전자 배치

원자에서 전자가 제거되어 양이온이 될 때 1. n 값이 큰 오비탈의 전자가 먼저 제거된다. 2. 같은 n 껍질에서는 l 값이 큰 오비탈의 전자가 먼저 제거된다.

Ex) Li (1s22s1) Li+ (1s2) + e-

Fe ([Ar]3d64s2) Fe2+ ([Ar]3d6) + 2e- Fe3+ ([Ar]3d5) + 3e-

Sn ([Kr]4d105s25p2) Sn2+ ([Kr]4d105s2) + 2e- Sn4+ ([Kr]4d10) + 4e-

원자에 전자가 더해져서 음이온이 될 때 1. 부분적으로 채워진 오비탈에 먼저 더해진다.

Ex) F (1s22s22p5) + e- F- (1s22s22p6)

S ([Ne]3s23p4) + 2e- S2- ([Ne]3s23p6)

전자 친화도 이온의 전자 배치

전자 친화도(Electron Affinity) : 기체 상태의 원자에 전자를 더하는 과정에 수반된 에너지 변화량

X(g) + e- → X-(g) ∆H : Electron Affinity

EA가 작을수록(발열 반응 일수록), 전자를 얻기 쉽다.

e-

EA > 0 인 원자는 안정한 음이온을 형성하지 않는다.

주기율표

EA: 음으로 큰 값

IE > 0, EA > 0 or < 0

대략의 경향

금속, 비금속, 준금속

금속, 비금속, 준금속 금속

1. 낮은 이온화 에너지: 양이온을 형성하는 경향이 있다.(비금속은 음이온을 형성하는 경향이 있다.)

2. 금속 원소와 비금속 원소로 이루어진 화합물은 이온화합물을 만드는 경향이 있다.

2 Ni(s) ＋ O2(g) 2 NiO(s) 2 Mg(s) ＋ O2(g) 2 MgO(s)

3. 대부분의 금속 산화물은 염기성이다.

금속 산화물 ＋ 물 금속 수산화물 Na2O (s) ＋ H2O NaOH (aq) CaO (s) ＋ H2O Ca (OH)2 (aq) O2-(aq) ＋ H2O (l) 2 OH－ (aq)

금속 산화물 ＋ 산 염 ＋ 물 NiO (s) ＋ 2 HNO3 (aq) Ni(NO3) 2 (aq) ＋ H2O (l)

금속, 비금속, 준금속 비금속, 준금속

1. 큰 음의 전자 친화도: 금속과 반응했을 때 전자를 얻고자 하는 경향이 있다.

2. 비금속만으로 모두 구성된 화합물은 전형적인 분자성 물질이다.

3. 대부분의 비금속 산화물은 산성이다.

비금속(non-metal)

준금속(metalloid): 금속과 비금속의 중간 성질

규소(Si): 금속처럼 보이지만, 준금속인 규소는 깨지기 쉽고, 열과 전기 전도도가 낮다.

1족(1A족)금속과 2족(2A족)금속의 경향

1족(1A족)금속: 알칼리(Alkali) 금속 연한 금속 고체 (아랍어 “ash” => alkali) 자연에서 주로 화합물의 형태로 발견됨 낮은 밀도, 낮은 녹는점, 낮은 이온화 에너지

소듐

1족(1A족)금속과 2족(2A족)금속의 경향

1족(1A족)금속: 알칼리(Alkali) 금속 물과 격렬하게 발열 반응 불꽃 반응: 밝은 색 산소와 반응하여 과산화물(도) 생성 (Li 제외) K, Rb, Cs는 초과산화물(도) 생성

소듐 램프

1족(1A족)금속과 2족(2A족)금속의 경향

2족(2A족)금속: 알칼리토(Alkali earth) 금속 1족 금속보다 단단하고 밀도와 녹는점이 높다. 낮은 이온화 에너지(1족 보다는 큼)

1족(1A족)금속과 2족(2A족)금속의 경향

2족(2A족)금속: 알칼리토(Alkali earth) 금속 주기율표의 아래로 갈수록 반응성이 증가 물과의 반응 Be: 반응 안함 Mg: 수증기와 반응(물: x) Ca와 그 아래: 물과 반응하여 수산화물 생성

몇몇 비금속이 갖는 경향 16족(6A족): 산소족

비금속

준금속 금속(방사성)

O의 동소체 (allotrope): O2, O3 O의 산화수: 0 (O2), -1 (O2

2-: H2O2), -2 (O2-:대부분), -1/2 (O2-)

*동소체: 동일 상의 같은 원소가 다른 형태를 갖는 것

S: 산소보다 약한 산화제 S의 가장 흔한 동소체: S8

수소화합물의 열적 안정성

몇몇 비금속이 갖는 경향 17족(7A족): 할로겐족

할로겐(halogen) 원소는 전형적인 비금속 그리스어 “halos”와 “gennao”에서 유래. “salt formers” 큰 음의 전자 친화도 금속과 반응하여 metal halide 형성 : 2 Na(s) + Cl2(g) 2 NaCl(s) 수소와 반응: H2 (g) + X2 (g) 2 HX(g) 할로겐화수소산: 강산: HCl(aq), HBr(aq), HI(aq) 약산: HF(aq)

몇몇 비금속이 갖는 경향 18족(8A족): 불활성 기체

단원자 기체로 발견된다. 큰 이온화 에너지 양의 전자 친화도 반응성이 매우 약하다. 몇 가지 화합물: XeF2, XeF4, XeF6, HArF