화학 고2 물질의 구조와 성질

이온화 에너지

Q: 제2 이온화 에너지가 제1보다 작을 수는 없나요?

없습니다. 두 번째 전자는 이미 +1 전하를 띤 이온에서 떼어내야 하므로, 양전하가 전자를 더 세게 붙잡습니다. 순차 이온화 에너지는 언제나 증가합니다. 문제에서 E2 < E1인 자료가 나왔다면 자료를 잘못 읽은 것입니다.

기체 상태 원자에서 전자 1개를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지(제1이온화 에너지). 주기 진행 시 증가(핵전하 증가), 족 진행 시 감소(원자 반지름 증가).

기체 상태의 원자 1몰에서 전자 1개씩을 떼어내

+ 1

이온으로 만드는 데 필요한 최소 에너지입니다(제1 이온화 에너지).

우물에 빠진 공을 꺼내는 데 드는 힘과 같습니다. 우물이 깊을수록(핵이 세게 당길수록) 꺼내기 힘듭니다. 한 개를 꺼내고 나면 남은 공들은 우물 벽에 더 세게 붙어 다음 개를 꺼내기가 더 어려워집니다.

쉽게 말하면

$X (g) \to X^{+} (g) + e^{-}$

이온화 에너지가 크다는 것은 전자를 붙잡는 힘이 세다는 뜻입니다. 그러므로 유효 핵전하(Zeff)가 크고 원자가 작을수록 값이 큽니다. 주기적 성질의 논리를 그대로 따라, 주기를 오른쪽으로 갈수록 커지고 족을 내려갈수록 작아집니다. 그래서 금속(작다)과 비금속(크다)의 성격이 갈리고, 각 주기의 오른쪽 끝인 18족이 가장 큰 값을 가집니다.

진짜 재미있는 것은 순차 이온화 에너지입니다. 전자를 하나 떼고 나면 두 번째, 세 번째도 뗄 수 있습니다. 남은 전자는 이미 양이온이 된 원자에 더 세게 붙들려 있으므로 $E_{1} < E_{2} < E_{3} < \dots$ 로 반드시 커집니다.

그런데 이 증가가 어느 지점에서 갑자기 몇 배로 튀는 자리가 있습니다. 원자가 전자를 다 떼고 나서 안쪽 껍질을 건드리기 시작하는 순간입니다. 안쪽 껍질 전자는 핵에 훨씬 가깝고 가려지지도 않아 떼는 비용이 압도적으로 큽니다.

그러므로 순차 이온화 에너지 표만 보면 그 원소의 원자가 전자가 몇 개인지, 즉 몇 족인지 알 수 있습니다. 급증이 $E_{2}$ 에서 일어나면 원자가 전자가 1개(1족), $E_{3}$ 에서 일어나면 2개(2족)입니다. 이것이 원소를 모르는 상태에서 족을 알아내는 시험의 단골 문제이고, 원자 구조가 껍질로 이루어져 있다는 강력한 실험적 증거이기도 합니다. 빛을 쬐어 전자를 떼는 물리의 광전 효과나 원자 스펙트럼과 같은 뿌리를 가진 이야기입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

나트륨 — 급증이 $E_{2}$ 에서 일어난다

$E_{1} ≪ E_{2} < E_{3} < \dots$

나트륨은 원자가 전자가 1개입니다. 첫 전자를 떼는 것은 쉽지만, 두 번째부터는 안쪽에 꽉 찬 껍질을 건드려야 하므로 비용이 몇 배로 뜁니다. $E_{1}$ 에서 $E_{2}$ 로 넘어가는 자리에 절벽이 있다는 사실만으로 '이 원소는 1족'이라고 단정할 수 있습니다.
예시 2

마그네슘 — 급증이 $E_{3}$ 에서 일어난다

마그네슘은 원자가 전자가 2개입니다. $E_{1}$ 과 $E_{2}$ 는 비교적 완만하게 늘지만 $E_{3}$ 에서 갑자기 뜁니다. 그래서 마그네슘은 전자를 딱 2개 잃어 $M g^{2 +}$ 가 되고, 그 이상은 잃지 않습니다. 화합물에서 마그네슘이 항상 $+ 2$ 인 이유가 이 절벽에 있습니다.
예시 3

2주기의 꺾임 — 붕소와 산소

주기를 따라 오른쪽으로 갈수록 커지는 것이 원칙이지만, 베릴륨보다 붕소가, 질소보다 산소가 오히려 작습니다. 베릴륨은 꽉 찬 2s에서 떼야 하고, 질소는 2p 세 자리에 고르게 흩어진 안정한 상태에서 떼야 하기 때문입니다. 반대로 산소는 짝지어 반발하고 있는 전자 하나가 오히려 쉽게 떨어집니다.

순서대로 하면

순차 이온화 에너지 자료에서 족 알아내기

1 $E_{1}, E_{2}, E_{3}, \dots$ 값을 순서대로 늘어놓습니다.
2이웃한 값의 비를 봅니다. 완만하게 커지다가 몇 배로 뛰는 자리를 찾습니다.
3급증이 $E_{n + 1}$ 에서 일어났다면, 원자가 전자는 $n$ 개입니다.
4원자가 전자 수에서 족을 읽습니다. 1개면 1족, 2개면 2족, 3개면 13족입니다.
5그 원소가 만들 이온의 전하도 같은 값입니다. 원자가 전자를 다 내놓고 멈추기 때문입니다.

자주 하는 오해

급증하는 자리와 원자가 전자 수를 한 칸 어긋나게 읽기

이렇게 생각하기 쉬움

E_{2}

에서 급증했으니 원자가 전자가 2개, 즉 2족이다

실제로는

E_{2}

에서 급증했다면 원자가 전자는 1개, 1족입니다.

급증은 '원자가 전자를 다 떼고 나서 안쪽 껍질을 건드리는 순간'에 일어납니다.

E_{2}

가 절벽이라는 것은 첫 번째 전자를 떼고 나니 이미 원자가 전자가 없다는 뜻이므로, 원래 원자가 전자는 1개였습니다. 급증하는 번호에서 1을 빼야 원자가 전자 수입니다.

이온화 에너지가 항상 매끈하게 증가한다고 믿기

이렇게 생각하기 쉬움이온화 에너지는 주기를 따라 예외 없이 오른쪽으로 커진다

실제로는베릴륨 > 붕소, 질소 > 산소처럼 거꾸로인 자리가 있습니다.

이온화 에너지는 유효 핵전하만으로 결정되지 않습니다. 어느 오비탈에서 전자를 떼느냐, 그 오비탈이 반쯤 찼는지 꽉 찼는지도 영향을 줍니다. 꽉 찬 부껍질과 반쯤 찬 부껍질은 특별히 안정해서 전자를 잘 내주지 않습니다. 이 꺾임을 '예외'로 외우기보다 전자 배치로 설명할 수 있어야 합니다.