화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

등전자 이온·분자

Q: 전자 18개짜리 등전자 집합도 있나요?

네. S2-, Cl-, Ar, K+, Ca2+가 모두 전자 18개로 아르곤과 같은 배치입니다. 크기 순서를 정하는 원리는 똑같습니다 — 양성자가 많을수록 작아집니다.

전자 수가 같아 전자 배치가 동일한 이온 또는 분자. N³⁻·O²⁻·F⁻·Ne·Na⁺·Mg²⁺·Al³⁺는 모두 10 전자. 반지름은 핵전하가 클수록 작아진다.

전자 수가 같아 전자 배치가 똑같은 이온이나 분자들을 서로 등전자 관계라고 합니다.

같은 옷을 입은 사람들과 같습니다. 전자 배치(옷)는 똑같지만, 그 옷을 잡아당기는 핵의 힘(체격)이 서로 달라서 옷이 몸에 붙는 정도가 다릅니다. 그래서 크기가 갈립니다.

쉽게 말하면

전자 껍질의 배치가 같으면 어떤 일이 벌어질까요? 대표적인 등전자 집합은 전자 10개짜리입니다.

$N^{3 -}, O^{2 -}, F^{-}, Ne, N a^{+}, M g^{2 +}, A l^{3 +}$

이들은 모두 $1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6}$ 이라는 똑같은 전자 배치를 가집니다. 비금속은 전자를 받아서, 금속은 전자를 내놓아서 결국 네온과 같은 안정한 배치에 도달한 것입니다. 이온이 왜 하필 그만큼의 전하를 띠는지가 이 목록 하나로 설명됩니다.

그런데 전자 배치가 같다고 크기까지 같지는 않습니다. 전자 수는 모두 10개로 같은데 핵 속 양성자 수는 7개부터 13개까지 다르기 때문입니다. 양성자가 많을수록 같은 10개의 전자를 더 세게 안쪽으로 당기므로 이온이 작아집니다. 그래서 크기 순서는 이렇게 됩니다.

$N^{3 -} > O^{2 -} > F^{-} > N a^{+} > M g^{2 +} > A l^{3 +}$

음이온이 크고 양이온이 작은 것은 우연이 아니라, 핵전하가 커지는 순서가 곧 이 순서이기 때문입니다.

분자에도 같은 관계가 있습니다. $N_{2}$ , $CO$ , $C N^{-}$ 는 모두 전자 총수가 같고 구조도 닮았습니다(모두 삼중 결합에 직선형). 그러나 전자 배치가 같아도 핵이 다르므로 화학적 성질은 완전히 다릅니다. $N_{2}$ 는 우리가 매일 들이마시는 무해한 기체이고, $CO$ 는 치명적인 유독 기체입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전자 10개 집합의 반지름 순서

$N^{3 -} (Z = 7) > O^{2 -} (Z = 8) > F^{-} (Z = 9) > N a^{+} (Z = 11) > M g^{2 +} (Z = 12) > A l^{3 +} (Z = 13)$

전자는 모두 10개로 같은데 양성자만 늘어납니다. 같은 수의 전자를 더 많은 양성자가 당기니 전자 구름이 점점 조여집니다. 원자 번호가 커지는 순서와 크기가 작아지는 순서가 정확히 반대입니다.
예시 2

왜 이온의 전하가 하필 그 값인가

산소는 전자를 2개 받아 $O^{2 -}$ 가 되고, 마그네슘은 2개 내놓아 $M g^{2 +}$ 가 됩니다. 둘 다 도착지가 같습니다 — 네온과 같은 전자 배치입니다. 이온의 전하는 '가장 가까운 비활성 기체 배치까지 몇 걸음인가'로 정해지고, 등전자 목록은 그 도착지를 한눈에 보여 줍니다.
예시 3

$N_{2}$ 와 $CO$ — 같은 전자 수, 다른 운명

두 분자는 전자 총수가 같고 둘 다 삼중 결합의 직선형 분자입니다. 그런데 질소는 공기의 대부분을 차지하는 안정한 기체이고, 일산화 탄소는 헤모글로빈에 달라붙어 산소 운반을 막는 유독 기체입니다. 전자 배치가 같다고 화학이 같아지는 것이 아님을 보여 주는 극단적인 사례입니다.

자주 하는 오해

전자 수가 같으니 크기도 같다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

O^{2 -}

와

M g^{2 +}

는 둘 다 전자가 10개니까 크기가 비슷하다

실제로는

O^{2 -}

가

M g^{2 +}

보다 훨씬 큽니다.

크기를 정하는 것은 전자 수 하나가 아니라 '전자 수 대 양성자 수'의 힘겨루기입니다. 산소는 양성자 8개로 전자 10개를 당기고, 마그네슘은 양성자 12개로 같은 10개를 당깁니다. 당기는 힘이 훨씬 세니 마그네슘 이온이 더 조여져 작아집니다. 등전자 문제는 언제나 원자 번호부터 확인하세요.

등전자면 화학적 성질도 같다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

N a^{+}

와

F^{-}

는 전자 배치가 같으니 성질도 비슷할 것이다

실제로는전자 배치는 같지만, 하나는 양이온이고 하나는 음이온이라 화학적 행동이 정반대에 가깝습니다.

화학적 성질은 전자 배치만이 아니라 전하와 핵의 성격에도 달려 있습니다.

N a^{+}

는 물속에서 물 분자의 산소 쪽을 끌어당기고,

F^{-}

는 수소 쪽을 끌어당깁니다. 서로 만나면 반대 부호끼리 이온 결합을 이룹니다. '전자 배치가 같다'는 것은 크기를 비교할 때 유용한 사실이지 성질을 같게 만드는 사실이 아닙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전자 껍질고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1네온도 이 목록에 넣어 크기를 비교할 수 있나요?

전자 배치는 같지만 크기를 나란히 비교하기는 조심스럽습니다. 이온의 반지름과 비활성 기체의 반지름은 재는 방법 자체가 다르기 때문입니다. 시험에서도 대개 이온끼리만 비교하도록 문제를 냅니다.

Q2전자 18개짜리 등전자 집합도 있나요?

네.

S^{2 -}

C l^{-}

Ar

K^{+}

C a^{2 +}

가 모두 전자 18개로 아르곤과 같은 배치입니다. 크기 순서를 정하는 원리는 똑같습니다 — 양성자가 많을수록 작아집니다.

Q3등전자 개념은 어디에 쓰이나요?

이온 반지름 순서를 비교하는 문제에서 직접 쓰이고, 처음 보는 분자나 이온의 구조를 추측할 때도 유용합니다. 전자 수가 같고 원자 수가 같으면 대개 구조가 닮아 있으므로, 이미 아는 분자를 기준으로 새 분자의 모양을 예상할 수 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

같은 전자 수에서 핵전하가 크기를 좌우한다는 논리는 원자 반지름의 이온 반지름 부분과 곧바로 이어집니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

등전자 이온·분자 지도에서 확인하기 →