화학 고2 물질의 구조와 성질

원자 반지름

같은 종류 원자 2개가 결합했을 때 핵간 거리의 절반. 주기 진행 시 감소(Zeff 증가), 족 진행 시 증가(전자 껍질 추가). 이온 반지름과 구별된다.

같은 종류의 원자 두 개가 결합해 있을 때 두 핵 사이 거리의 절반으로 정의하는, 원자의 크기입니다.

원자는 딱딱한 공이 아니라 전자 구름이 흐릿하게 퍼진 안개 덩어리라 '여기까지가 끝'이라는 경계선이 없습니다. 그래서 자로 잴 수 없고, 두 원자를 붙여 놓고 핵 사이 거리를 재서 반으로 나누는 우회로를 씁니다.

쉽게 말하면

원자 반지름을 이렇게 이상한 방식으로 정의하는 데는 이유가 있습니다. 전자는 확률적으로 퍼져 있어 원자의 껍데기가 어디서 끝나는지 정할 수 없기 때문입니다. 그래서 '결합했을 때 핵끼리 얼마나 가까워지는가'를 대신 재고, 이를 절반으로 나눕니다.

크기를 결정하는 것은 두 가지입니다. 유효 핵전하(Zeff)가 크면 전자를 안쪽으로 세게 당겨 원자가 작아지고, 전자 껍질이 많으면 원자가 전자가 멀어져 원자가 커집니다. 주기적 성질은 이 둘 중 어느 쪽이 이기는가로 결정됩니다.

주기를 따라 오른쪽으로 가면 껍질 수는 그대로인데 유효 핵전하만 커집니다. 그러므로 원자는 작아집니다. 전자가 늘어나니 커질 것 같지만, 늘어난 전자가 같은 껍질에 들어가 서로를 거의 못 가리므로 핵의 인력이 이깁니다.

족을 따라 아래로 내려가면 껍질이 통째로 하나 늘어납니다. 유효 핵전하는 거의 그대로인데 원자가 전자가 훨씬 먼 껍질로 가므로 원자는 커집니다. 껍질 수의 변화가 훨씬 큰 효과이기 때문입니다.

이온 반지름은 별도로 생각해야 합니다. 양이온은 원자가 전자를 잃으면서 껍질 하나가 통째로 사라지는 경우가 많아 원래 원자보다 훨씬 작고, 음이온은 전자가 늘어 서로 밀어내므로 원래 원자보다 큽니다. '원자와 이온은 다른 입자'라고 생각하는 편이 안전합니다.

예시 1

3주기를 지나며 원자가 작아진다

나트륨에서 염소로 가면서 껍질 수는 3으로 그대로인데 양성자는 11개에서 17개로 늘어납니다. 유효 핵전하가 커져 전자 껍질을 안쪽으로 끌어당기므로 원자는 계속 작아집니다. 같은 껍질을 쓰면서도 크기가 눈에 띄게 줄어드는 것이 핵심입니다.
예시 2

1족을 내려가며 원자가 커진다

리튬은 껍질이 2개, 나트륨은 3개, 칼륨은 4개입니다. 양성자가 아무리 늘어도 안쪽 전자가 함께 늘어 가려 버리므로 유효 핵전하는 거의 그대로이고, 원자가 전자만 점점 먼 껍질로 밀려납니다. 그래서 아래로 갈수록 원자가 커지고, 전자를 붙잡는 힘이 약해져 반응성이 커집니다.
예시 3

$Na$ 와 $N a^{+}$ , $Cl$ 과 $C l^{-}$

나트륨이 전자를 하나 잃으면 3번째 껍질이 통째로 비어 2번째 껍질이 가장 바깥이 됩니다. 그래서 $N a^{+}$ 는 $Na$ 보다 훨씬 작습니다. 반대로 염소가 전자를 하나 받으면 껍질 수는 그대로인데 전자끼리 반발이 커져 전자 구름이 부풀어 오릅니다. 그래서 $C l^{-}$ 는 $Cl$ 보다 큽니다.

전자가 많아지면 원자가 커진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 전자가 많으니 원자도 더 크다

실제로는같은 주기에서는 오른쪽으로 갈수록 원자가 작아집니다.

원자 크기를 정하는 것은 전자 개수가 아니라 '전자가 어느 껍질에 있고, 핵이 얼마나 세게 당기는가'입니다. 같은 주기에서는 껍질이 늘지 않고 양성자만 늘기 때문에 인력이 세져 전자 구름이 수축합니다. 전자 반발이 커지는 효과보다 유효 핵전하의 증가가 훨씬 큽니다.

이온 반지름도 원자 반지름과 똑같이 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움나트륨 원자가 염소 원자보다 크니,

N a^{+}

도

C l^{-}

보다 클 것이다

실제로는

N a^{+}

는

C l^{-}

보다 훨씬 작습니다. 순서가 완전히 뒤집힙니다.

나트륨은 전자를 잃으면서 바깥 껍질을 통째로 잃어 껍질이 3개에서 2개로 줄고, 염소는 전자를 받아 3번째 껍질이 부풀어 오릅니다. 원자를 비교한 결과를 그대로 이온으로 옮기면 정반대의 답을 내게 됩니다. 이온을 물으면 반드시 전자 배치부터 다시 쓰세요.

없음 — 이 개념이 마지막입니다

Q1원자 반지름을 왜 직접 못 재나요?

전자가 어디까지 퍼져 있는지에 명확한 경계가 없기 때문입니다. 전자를 발견할 확률은 핵에서 멀어질수록 줄어들 뿐 갑자기 0이 되지 않습니다. 그래서 '경계'를 정하는 대신 '두 원자가 결합했을 때의 핵간 거리'라는 잴 수 있는 값으로 정의합니다.

Q218족의 원자 반지름은 왜 표에서 빠지거나 유독 크게 나오나요?

비활성 기체는 결합을 잘 하지 않아 '결합했을 때의 핵간 거리'를 잴 수가 없습니다. 그래서 서로 붙어 있을 때의 거리로 다른 방식(반데르발스 반지름)으로 재는데, 이 값은 결합 반지름보다 크게 나옵니다. 정의가 다르므로 다른 원소와 나란히 비교하면 안 됩니다.

Q3전이 금속은 왜 크기 변화가 작은가요?

전이 금속은 새로 들어오는 전자가 바깥 껍질이 아니라 안쪽의 d 부껍질로 들어가기 때문입니다. 안쪽에 들어간 전자는 바깥 전자를 어느 정도 가려 주므로, 양성자가 늘어도 유효 핵전하가 크게 안 늘고 크기 변화가 완만합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

크기가 결정되면 이온이 얼마나 가까이 붙을 수 있는지가 정해지고, 그것이 결합의 세기를 정합니다. 격자 에너지에서 크기가 어떻게 힘으로 바뀌는지 확인해 보세요.

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