부껍질(s·p·d·f 오비탈)
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
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예시 1질소의 2p 전자 3개는 어떻게 들어가는가2p 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.
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예시 2부껍질별 최대 전자 수오비탈 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.
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예시 34s가 3d보다 먼저 채워진다껍질 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
- 1전자 개수를 셉니다. 중성 원자면 원자 번호와 같습니다.
- 2에너지가 낮은 부껍질부터 채웁니다: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p …
- 3각 부껍질의 정원(s는 2, p는 6, d는 10)을 넘기지 않습니다.
- 4부껍질 안에서는 오비탈마다 전자를 하나씩 먼저 흩어 넣고, 자리가 다 차면 그때 짝을 짓습니다.
- 5다 쓴 뒤 위 첨자의 합이 처음에 센 전자 수와 같은지 확인합니다.
자주 하는 오해
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요
같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질
자주 묻는 질문
Q1s, p, d, f라는 이름은 무슨 뜻인가요?
Q24s가 먼저 채워지는데 왜 전자를 뗄 때는 4s부터 떨어지나요?
Q3오비탈은 전자가 도는 궤도인가요?
부껍질을 알았다면, 안쪽 전자가 바깥 전자를 얼마나 가려 주는지를 다루는 유효 핵전하(Zeff)로 넘어가세요. 주기율표의 모든 경향성이 거기서 나옵니다.
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