화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

부껍질(s·p·d·f 오비탈)

전자 껍질 안에서 각운동량 양자수(l)로 구분되는 에너지 준위 단위. s(1개), p(3개), d(5개), f(7개) 오비탈로 구성되며 파울리 배타 원리·훈트 규칙에 따라 전자가 채워진다.
전자 껍질 안을 다시 나눈 에너지 단계로, 오비탈의 모양에 따라 s·p·d·f로 구분되며 각각 1개·3개·5개·7개의 오비탈을 가집니다.
전자 껍질이 '몇 층'이라면 부껍질은 그 층 안의 '방 종류'입니다. 같은 3층이라도 s방·p방·d방이 있고, 방 하나에는 전자가 최대 두 명까지만 들어갑니다.

쉽게 말하면

전자 껍질을 층 번호 으로 나누는 것만으로는 실제 원자를 설명할 수 없습니다. 같은 껍질 안에서도 전자의 에너지가 조금씩 다르기 때문입니다. 이 차이를 만드는 것이 오비탈의 모양이고, 모양이 같은 오비탈들을 묶은 것이 부껍질입니다.

부껍질마다 오비탈 수가 정해져 있습니다. s는 공 모양 하나, p는 아령 모양 세 개(), d는 다섯 개, f는 일곱 개입니다. 오비탈 하나에는 스핀이 반대인 전자가 최대 두 개만 들어갈 수 있으므로(파울리 배타 원리), 부껍질이 담을 수 있는 전자는 s 2개, p 6개, d 10개, f 14개입니다.

중요한 제한이 하나 있습니다. 번째 껍질에는 가지 종류의 부껍질만 존재합니다. 에는 1s뿐이고, 에는 2s와 2p뿐이며, 2d 같은 것은 아예 없습니다. 그래서 2주기 원소는 아무리 애를 써도 전자를 8개까지밖에 못 담습니다 — 이것이 옥텟 규칙의 진짜 뿌리입니다.

전자가 채워지는 순서는 에너지가 낮은 부껍질부터입니다(쌓음 원리). 한 부껍질 안에 오비탈이 여러 개면, 전자는 먼저 각 오비탈에 하나씩 흩어져 들어간 뒤에야 짝을 짓습니다(훈트 규칙). 전자끼리는 서로 밀어내므로, 굳이 한 방에 둘이 들어가기보다 빈방에 혼자 들어가는 쪽이 안정하기 때문입니다. 이렇게 에너지 준위가 띄엄띄엄 나뉘어 있다는 발상은 물리의 에너지 양자화와 같은 뿌리입니다.

이렇게 나타납니다

  1. 예시 1
    질소의 2p 전자 3개는 어떻게 들어가는가
    2p 오비탈 3개에 전자 3개가 들어갈 때, 한 오비탈에 둘을 몰아넣고 나머지를 비우는 것이 아니라 세 오비탈에 하나씩 같은 방향 스핀으로 흩어집니다. 훈트 규칙입니다. 그 결과 질소에는 홀전자가 3개 있고, 이것이 질소가 결합을 3개 만드는 이유입니다.
  2. 예시 2
    부껍질별 최대 전자 수
    오비탈 수(1, 3, 5, 7)에 각각 2를 곱한 값입니다. 여기서 주기율표의 모양이 그대로 나옵니다. s 블록이 2줄, p 블록이 6줄, d 블록(전이 금속)이 10줄, f 블록이 14줄인 것은 우연이 아닙니다.
  3. 예시 3
    4s가 3d보다 먼저 채워진다
    껍질 번호는 4가 3보다 크지만, 에너지는 4s가 3d보다 낮아서 4s가 먼저 채워집니다. 부껍질의 에너지가 껍질 번호만으로 정해지지 않는다는 것을 보여 주는 대표 사례이며, 칼슘 다음에 전이 금속이 시작되는 이유이기도 합니다.

순서대로 하면

전자 배치를 부껍질로 쓰는 순서
  1. 1전자 개수를 셉니다. 중성 원자면 원자 번호와 같습니다.
  2. 2에너지가 낮은 부껍질부터 채웁니다: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p …
  3. 3각 부껍질의 정원(s는 2, p는 6, d는 10)을 넘기지 않습니다.
  4. 4부껍질 안에서는 오비탈마다 전자를 하나씩 먼저 흩어 넣고, 자리가 다 차면 그때 짝을 짓습니다.
  5. 5다 쓴 뒤 위 첨자의 합이 처음에 센 전자 수와 같은지 확인합니다.

자주 하는 오해

부껍질에 전자를 짝부터 채워 넣기
이렇게 생각하기 쉬움탄소의 는 한 p 오비탈에 전자 두 개가 짝지어 들어간다
실제로는서로 다른 두 p 오비탈에 하나씩, 같은 방향 스핀으로 들어갑니다. 그래서 탄소에는 홀전자가 2개 있습니다.
전자는 음전하끼리 밀어냅니다. 에너지가 같은 빈 오비탈이 남아 있는데 굳이 한 방에 둘이 들어가면 반발 때문에 손해입니다. 이 규칙을 놓치면 홀전자 개수를 틀리고, 그 결과 결합 수와 자기적 성질까지 줄줄이 틀리게 됩니다.
껍질 번호와 부껍질 종류를 따로 놀게 두기
이렇게 생각하기 쉬움2번째 껍질에도 d 오비탈이 있으니 2d에 전자를 넣을 수 있다
실제로는번째 껍질에는 종류의 부껍질만 존재합니다. 2번째 껍질에는 2s와 2p뿐이고 2d는 아예 없습니다.
부껍질의 종류는 껍질 번호가 허락하는 만큼만 생깁니다. 이면 s만, 면 s와 p까지, 이면 d까지입니다. 그래서 2주기 원소(C, N, O, F)는 최대 8개 전자밖에 못 담고, 3주기부터 d를 쓸 수 있어 옥텟을 넘는 분자가 가능해집니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

오비탈고2전자 껍질고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 오비탈 이론고2유효 핵전하(Zeff)고2혼성 오비탈고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

에너지 양자화고2

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)고2분자 기하 구조고2분자 오비탈 이론고2분자의 극성고2상자성과 반자성고2쌍극자 모멘트고2옥텟 규칙 예외고2원자 반지름고2유효 핵전하(Zeff)고2이온 결합고2이온화 에너지고2자유 전자 모형고2전기음성도고2전자 껍질고2전자 친화도고2전자쌍 반발 이론(VSEPR)고2주기율표고2주기적 성질고2평균 원자량고2형식 전하고2혼성 오비탈고2σ결합과 π결합고2

자주 묻는 질문

Q1s, p, d, f라는 이름은 무슨 뜻인가요?
원자가 내는 빛의 스펙트럼 선을 관찰하던 시절에 그 선들의 겉모습을 부르던 영어 표현(sharp, principal, diffuse, fundamental)의 머리글자에서 왔습니다. 오비탈의 모양과는 직접 관계가 없으니 그냥 이름표로 받아들이면 됩니다.
Q24s가 먼저 채워지는데 왜 전자를 뗄 때는 4s부터 떨어지나요?
전자가 다 채워진 뒤에는 오비탈들의 에너지 순서가 달라져 3d가 4s보다 안쪽에 자리 잡기 때문입니다. 채우는 순서와 떼는 순서가 다르다는 것 자체를 사실로 기억해 두는 편이 낫습니다. 전이 금속 이온이 대부분 전자만 남기는 이유입니다.
Q3오비탈은 전자가 도는 궤도인가요?
아닙니다. 오비탈은 길이 아니라 '전자가 발견될 확률이 높은 공간의 모양'입니다. 전자가 아령 모양 트랙을 달리는 것이 아니라, 아령 모양 영역 안 어딘가에서 발견될 확률이 높다는 뜻입니다.
교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

부껍질을 알았다면, 안쪽 전자가 바깥 전자를 얼마나 가려 주는지를 다루는 유효 핵전하(Zeff)로 넘어가세요. 주기율표의 모든 경향성이 거기서 나옵니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

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

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