유효 핵전하(Zeff)
내부 전자의 가리기 효과를 고려해 원자가 전자가 실제로 느끼는 핵전하. Zeff = Z - S (슬레이터 규칙)로 계산하며 주기율표 주기 진행 시 증가한다.
안쪽 전자들이 핵을 가려 주기 때문에, 바깥쪽 원자가 전자가 실제로 느끼는 핵의 인력은 원자 번호보다 작아지는데 그 실질적인 전하량입니다.
난롯불 앞에 사람들이 겹겹이 서 있다고 생각해 보세요. 맨 뒤에 선 사람은 불이 아무리 뜨거워도 앞사람들에게 가려 미지근하게만 느낍니다. 원자가 전자가 느끼는 핵의 인력이 딱 그렇습니다.
쉽게 말하면
핵에는 양성자가 개 있으니 전자를 만큼 끌어당길 것 같지만, 실제로 바깥 전자가 느끼는 힘은 그보다 훨씬 약합니다. 사이에 낀 안쪽 전자들이 음전하로 핵의 인력을 상쇄해 주기 때문입니다. 이것을 가리기(가림) 효과라 하고, 가려지고 남은 실질적인 인력을 유효 핵전하 라 합니다.
는 가리기 상수입니다. 여기서 결정적인 점은 가리는 정도가 전자마다 다르다는 것입니다. 안쪽 껍질의 전자는 핵과 바깥 전자 사이에 확실히 끼어 있어 거의 완전히 가려 줍니다. 그러나 같은 껍질에 있는 전자끼리는 서로 옆에 나란히 있는 셈이라 가리는 효과가 미미합니다.
이 비대칭이 주기율표의 경향성을 통째로 설명합니다. 같은 주기를 오른쪽으로 가면 양성자는 하나씩 늘어나는데, 새로 들어온 전자는 같은 껍질에 들어가므로 가리는 데는 거의 기여하지 못합니다. 그래서 는 커지고 는 거의 그대로 — 가 뚜렷하게 증가합니다. 원자가 전자가 더 세게 끌려오니 원자 반지름은 줄고, 떼어내기는 어려워집니다.
반대로 같은 족을 아래로 내려가면 양성자도 늘지만 안쪽 껍질도 통째로 하나 늘어 가리기가 함께 커집니다. 그래서 는 거의 비슷하게 유지되고, 대신 원자가 전자가 훨씬 먼 껍질에 살게 됩니다. 이 하나의 논리로 원자 반지름, 이온화 에너지, 전자 친화도가 전부 설명됩니다.
이렇게 나타납니다
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예시 13주기에서 가 커지는 모습안쪽 껍질 전자 10개가 핵을 거의 완전히 가려 준다고 간단히 가정한 값입니다. 3주기를 지나며 가 1에서 7까지 쭉 커지는 것이 보입니다. 실제 값은 이보다 조금씩 크지만, 오른쪽으로 갈수록 커진다는 방향은 정확합니다.
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예시 21족을 내려가도 는 크게 안 변한다리튬, 나트륨, 칼륨은 모두 최외각에 전자가 1개이고, 간단한 근사로 계산하면 가 모두 약 1입니다. 양성자가 3개에서 19개까지 늘었는데도 그렇습니다. 늘어난 양성자만큼 안쪽 전자도 늘어 가려 버렸기 때문입니다. 대신 원자가 전자의 껍질이 멀어져서 원자는 훨씬 커집니다.
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예시 3왜 리튬은 전자를 쉽게 잃고 플루오린은 잃지 않는가같은 2주기인데 리튬의 는 약 1, 플루오린은 약 7입니다. 리튬의 원자가 전자는 핵에 느슨하게 붙어 있어 쉽게 떨어지고, 플루오린의 원자가 전자는 강하게 붙들려 있어 오히려 하나 더 끌어당깁니다. 금속과 비금속의 성격 차이가 여기서 갈립니다.
자주 하는 오해
전자가 늘어나면 반발 때문에 원자가 커진다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 전자가 많아지니 원자가 점점 커진다
실제로는같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자는 오히려 작아집니다.
같은 껍질에 전자가 하나 더 들어오면 반발도 늘지만, 핵의 양성자도 하나 늘어납니다. 그런데 같은 껍질 전자끼리는 서로를 거의 못 가리므로 인력 증가가 반발 증가를 이깁니다. 가 커지고 껍질이 안쪽으로 당겨져 원자가 수축합니다. '전자 수'가 아니라 '유효 핵전하'로 생각해야 방향을 틀리지 않습니다.
원자 번호가 크면 원자가 전자가 더 세게 잡혀 있다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움칼륨은 양성자가 19개나 되니 리튬(3개)보다 전자를 훨씬 세게 붙잡고 있을 것이다
실제로는칼륨의 원자가 전자가 훨씬 쉽게 떨어집니다. 그래서 칼륨이 리튬보다 반응성이 큽니다.
중요한 것은 가 아니라 입니다. 칼륨은 양성자가 많은 만큼 안쪽 전자도 많아 거의 다 가려집니다. 게다가 원자가 전자가 훨씬 먼 껍질에 있어 거리도 멉니다. 가려짐과 거리, 두 가지가 모두 인력을 약화시킵니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질
격자 에너지고2결합 차수와 결합 길이고2결합·반결합 오비탈고2결합의 극성고2공명 구조고2공유 결합고2금속 결합고2동위 원소고2등전자 이온·분자고2루이스 전자점식고2배위 공유 결합(다티브 결합)고2부껍질(s·p·d·f 오비탈)고2분자 기하 구조고2분자 오비탈 이론고2분자의 극성고2상자성과 반자성고2쌍극자 모멘트고2옥텟 규칙 예외고2원자 반지름고2이온 결합고2이온화 에너지고2자유 전자 모형고2전기음성도고2전자 껍질고2전자 친화도고2전자쌍 반발 이론(VSEPR)고2주기율표고2주기적 성질고2평균 원자량고2형식 전하고2혼성 오비탈고2σ결합과 π결합고2
자주 묻는 질문
Q1가리기 상수 를 정확히 계산할 수 있나요?
슬레이터 규칙 같은 경험적인 방법으로 근사할 수 있습니다. 대략 안쪽 껍질 전자는 거의 1에 가깝게 가리고, 같은 껍질 전자는 그보다 훨씬 적게 가린다고 보면 됩니다. 학교 수준에서는 '안쪽 전자 수만큼 뺀다'는 간단한 근사로 경향성을 잡아도 충분합니다.
Q2같은 껍질 전자는 왜 잘 못 가리나요?
가리려면 핵과 그 전자 사이에 끼어 있어야 하는데, 같은 껍질 전자는 대체로 비슷한 거리에 흩어져 있어 '앞에 서 있는' 경우가 절반뿐이기 때문입니다. 안쪽 껍질 전자는 언제나 핵과 바깥 전자 사이에 있어 훨씬 효과적으로 가립니다.
Q3를 알면 무엇을 예측할 수 있나요?
원자 반지름, 이온화 에너지, 전자 친화도, 전기음성도의 주기적 경향을 전부 같은 논리로 예측할 수 있습니다. 가 클수록 전자를 꽉 붙들므로 원자는 작고, 떼어내려면 에너지가 많이 들며, 새 전자도 잘 끌어당깁니다.
교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질
수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)
이 하나의 개념이 세 갈래로 갈라집니다. 이온화 에너지, 원자 반지름, 전자 친화도 중 하나부터 확인해 보세요.
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