화학 고2 물질의 구조와 성질

주기적 성질

원소의 물리·화학적 성질(원자 반지름·이온화 에너지·전기음성도·금속성)이 주기율표에서 주기적으로 변하는 경향이다.

원자 반지름, 이온화 에너지, 전기음성도, 금속성 같은 원소의 성질이 주기율표에서 일정한 방향성을 가지고 규칙적으로 변하는 현상입니다.

경향성은 외울 목록이 아니라 두 개의 힘겨루기 결과입니다. '핵이 얼마나 세게 당기는가'와 '전자가 얼마나 멀리 있는가' — 이 둘 중 어느 쪽이 이기는지만 판단하면 모든 경향이 저절로 나옵니다.

쉽게 말하면

주기율표의 경향성을 따로따로 외우면 여덟 개, 열 개가 됩니다. 그러나 실제로 알아야 할 것은 딱 두 가지입니다.

첫째, 주기를 따라 오른쪽으로 가면 양성자는 늘어나는데 새 전자는 같은 껍질에 들어갑니다. 같은 껍질 전자끼리는 서로를 거의 못 가리므로 유효 핵전하(Zeff)가 커집니다. 핵이 전자를 더 세게 붙잡으니 원자는 작아지고, 전자를 떼기는 어려워지고, 전자를 끌어당기는 힘은 세집니다. 금속성은 약해지고 비금속성이 강해집니다.

둘째, 족을 따라 아래로 내려가면 전자 껍질이 하나 더 생깁니다. 양성자도 늘지만 안쪽 전자도 함께 늘어 가려 버리므로 유효 핵전하는 크게 변하지 않고, 대신 원자가 전자가 훨씬 먼 껍질로 갑니다. 거리가 멀면 인력이 약해지니 원자는 커지고, 전자를 떼기 쉬워지고, 금속성이 강해집니다.

이 두 문장에서 원자 반지름, 이온화 에너지, 전기음성도, 전자 친화도의 경향이 전부 따라 나옵니다. 방향이 헷갈릴 때는 '핵이 이기는가, 거리가 이기는가'를 물으면 됩니다.

다만 경향선은 매끄러운 직선이 아닙니다. 부껍질이 반쯤 차거나 꽉 찼을 때는 특별히 안정해서 이웃보다 값이 튀는 자리가 생깁니다. 예외가 있다는 것 자체가 전자 배치가 진짜 원인이라는 증거입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

2주기를 가로질러 가며 성질이 뒤집힌다

리튬은 무른 금속이고 물과 격렬하게 반응해 전자를 내줍니다. 같은 주기 끝의 플루오린은 전자를 빼앗는 데 가장 뛰어난 비금속입니다. 껍질 수는 똑같은데 양성자만 3개에서 9개로 늘었을 뿐입니다. 유효 핵전하 하나의 변화가 금속을 비금속으로 바꿔 놓습니다.
예시 2

1족을 따라 내려가며 반응성이 커진다

리튬, 나트륨, 칼륨을 물에 넣으면 아래로 갈수록 반응이 격렬해집니다. 원자가 전자가 점점 먼 껍질로 가서 잡는 힘이 약해지고, 그만큼 쉽게 떨어져 나가기 때문입니다. 금속의 반응성은 '전자를 얼마나 쉽게 내주는가'이므로 아래로 갈수록 커집니다.
예시 3

17족은 아래로 갈수록 반응성이 작아진다

1족과 정반대입니다. 비금속의 반응성은 '전자를 얼마나 잘 빼앗는가'인데, 아래로 갈수록 원자가 커져 새 전자를 붙일 자리가 핵에서 멀어집니다. 그래서 플루오린이 가장 강력하고 아이오딘으로 갈수록 약해집니다. 같은 '아래로'인데 방향이 반대인 이유는, 두 족이 서로 다른 일을 하기 때문입니다.

주기율표의 두 방향

성질	주기 →(오른쪽)	족 ↓(아래)
유효 핵전하	증가	거의 변화 없음
원자 반지름	감소	증가
이온화 에너지	증가	감소
전기음성도	증가	감소
금속성	감소	증가

자주 하는 오해

모든 경향이 오른쪽으로 갈수록 커진다고 외우기

이렇게 생각하기 쉬움주기를 따라 오른쪽으로 가면 전자도 늘고 양성자도 느니까 원자 반지름도 커진다

실제로는이온화 에너지와 전기음성도는 커지지만, 원자 반지름은 오히려 작아집니다.

경향의 방향은 성질마다 다릅니다. 원자 반지름은 '핵이 전자를 얼마나 가까이 당기는가'이므로 유효 핵전하가 커지면 오히려 줄어듭니다. 외울 것은 화살표 방향이 아니라 '유효 핵전하가 커지면 전자를 더 꽉 붙든다'는 한 문장입니다. 그 문장에서 각 성질의 방향을 그때그때 유도하면 절대 틀리지 않습니다.

경향이 매끄러운 직선일 거라고 믿기

이렇게 생각하기 쉬움이온화 에너지는 주기를 따라 오른쪽으로 한 칸씩 무조건 커진다

실제로는대체로 커지지만 몇 군데 꺾입니다. 2주기에서 붕소는 베릴륨보다, 산소는 질소보다 이온화 에너지가 오히려 작습니다.

베릴륨은 2s가 꽉 찬 안정한 상태라 떼기 어렵고, 붕소는 그보다 높은 2p 전자를 떼므로 더 쉽습니다. 질소는 2p 세 자리에 전자가 하나씩 고르게 들어차 안정한데, 산소는 한 오비탈에 전자 두 개가 짝지어 반발하고 있어 그중 하나가 더 쉽게 떨어집니다. 예외처럼 보이는 이 꺾임이 오히려 '전자 배치가 진짜 원인'이라는 증거입니다.