통합과학 고1 물질과 규칙성

물질과 규칙성

원소의 생성(빅뱅·별)과 주기율표, 주기적 성질, 이온 결합·공유 결합의 원리를 통합적으로 이해한다.

우주에서 만들어진 원소들을 원자 번호 순으로 늘어놓으면 성질이 주기적으로 되풀이되는데, 그 규칙성의 원인이 전자 배치이고, 결합의 방식까지 여기서 결정된다는 이야기입니다.

주기율표는 원소를 '정리해 둔 서랍장'이 아니라 '성질이 반복되는 이유를 담은 지도'입니다. 세로줄이 같으면 성격이 닮았고, 그 닮음은 가장 바깥 전자 수가 같기 때문입니다.

쉽게 말하면

원소를 원자 번호(양성자 수) 순으로 나열하면 화학적 성질이 일정한 간격으로 비슷해집니다. 이 반복이 우연이 아닌 이유는 전자가 껍질에 차례로 채워지기 때문입니다. 껍질이 하나 다 차면 다음 껍질이 시작되고, 그때부터 가장 바깥 전자 수가 다시 1개부터 세어집니다 — 그래서 성질도 다시 처음부터 되풀이됩니다. 주기율표에서 가로줄(주기)은 전자 껍질 수를, 세로줄(족)은 원자가 전자 수를 뜻합니다. 원소·이온과 화학식에서 다룬 기호들이 이제 위치까지 갖게 되는 셈입니다.

같은 족이 닮는 이유는 분명합니다. 1족 금속은 원자가 전자가 1개라 그것을 잃고 +1가 양이온이 되기 쉽고, 17족은 원자가 전자가 7개라 하나를 얻어 −1가 음이온이 되기 쉽습니다. 18족은 이미 안정한 배치라 좀처럼 반응하지 않습니다. 대부분의 원자가 18족과 같은 전자 배치를 이루려는 방향으로 움직인다는 것 — 이것이 결합을 설명하는 열쇠입니다.

그래서 결합은 두 갈래로 갈립니다. 금속과 비금속이 만나면 한쪽이 전자를 주고 한쪽이 받아, 생긴 양이온과 음이온이 서로 끌어당깁니다(이온 결합). 비금속끼리 만나면 서로 내놓을 형편이 못 되니 전자쌍을 함께 쓰기로 합니다(공유 결합). $NaCl$ 과 $H_{2} O$ 의 차이는 여기서 갈립니다.

이 원소들이 애초에 어디서 왔는지는 우주의 기원과 원소가 답합니다. 수소와 헬륨은 빅뱅에서, 그보다 무거운 원소들은 별의 내부에서 만들어졌습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

같은 족은 같은 반응을 한다

리튬, 나트륨, 칼륨은 모두 1족입니다. 물에 넣으면 셋 다 격렬하게 반응하며 수소 기체를 내놓고 염기성 수용액을 만듭니다. 원자 번호는 전혀 다른데 반응이 닮은 이유는 단 하나 — 원자가 전자가 모두 1개이기 때문입니다.
예시 2

옥텟을 향해 움직이는 나트륨과 염소

$Na \to N a^{+} + e^{-}, Cl + e^{-} \to C l^{-}$

나트륨은 전자 1개를 버리면 네온과 같은 배치가 되고, 염소는 전자 1개를 받으면 아르곤과 같은 배치가 됩니다. 버리려는 쪽과 받으려는 쪽이 만났으니 거래가 성립합니다 — 그 결과가 이온 결합입니다.
예시 3

물 분자가 전자를 나눠 쓰는 방식

$H_{2} O$

산소는 원자가 전자가 6개라 2개가 모자라고, 수소는 1개가 모자랍니다. 어느 쪽도 전자를 통째로 넘겨줄 형편이 아니므로 수소 2개가 각각 산소와 전자쌍 하나씩을 공유합니다. 비금속끼리는 대체로 이렇게 해결합니다.

이온 결합과 공유 결합

구분	이온 결합	공유 결합
만나는 원자	금속 + 비금속	비금속 + 비금속
전자를 어떻게	주고받는다 (이동)	함께 쓴다 (공유)
생기는 알갱이	양이온과 음이온의 결정	분자
대표 예	염화 나트륨 $NaCl$	물 $H_{2} O$ , 이산화 탄소 $C O_{2}$

자주 하는 오해

성질이 비슷한 원소가 '같은 주기'에 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움가로로 나란히 붙어 있으니 나트륨과 마그네슘, 염소는 성질이 비슷할 것이다

실제로는성질이 닮은 것은 세로줄(족)입니다. 같은 주기를 따라 오른쪽으로 가면 성질은 오히려 크게 변합니다.

같은 주기는 전자 껍질 '수'만 같을 뿐, 원자가 전자 수는 하나씩 늘어납니다. 그래서 한 주기 안에서 왼쪽의 금속에서 오른쪽의 비금속으로, 전자를 버리려는 성질에서 얻으려는 성질로 뒤집힙니다. 화학적 성질을 정하는 것은 껍질 수가 아니라 가장 바깥 전자 수입니다.

주기율표를 '무거운 순서'로 늘어놓은 표라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움원자량이 큰 원소일수록 항상 뒤에 온다

실제로는배열 기준은 원자 번호, 즉 양성자 수입니다. 원자량과 순서가 어긋나는 자리도 있습니다.

질량은 중성자 수에 따라도 달라지지만, 화학적 성질을 정하는 것은 전자 수이고 전자 수는 양성자 수와 같습니다. 그래서 성질의 주기성이 깔끔하게 드러나는 기준은 질량이 아니라 원자 번호입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

물질의 상태 변화(중)중1 물질의 구성중2 물질의 특성중2 원소·이온과 화학식중2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

신소재고1 화학 결합고1 전자 껍질고2

같은 단원의 개념 — 물질과 규칙성

신소재고1 우주의 기원과 원소고1 화학 결합고1

자주 묻는 질문

Q118족은 왜 반응을 거의 하지 않나요?

가장 바깥 껍질이 이미 꽉 차 있기 때문입니다. 다른 원자들은 이 배치를 얻으려고 전자를 주고받거나 공유하는데, 18족은 처음부터 그 상태라 굳이 남과 거래할 이유가 없습니다.

Q2금속과 비금속은 어떻게 구별하나요?

주기율표의 왼쪽·아래쪽이 대체로 금속, 오른쪽·위쪽이 비금속입니다. 금속은 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬우며 열과 전기를 잘 통하고 광택이 있습니다. 이 경향 자체가 원자가 전자 수의 규칙성에서 나옵니다.

Q3원자가 전자와 최외각 전자는 다른 말인가요?

보통은 같은 것을 가리킵니다. 가장 바깥 껍질에 있는 전자로, 결합에 직접 참여하는 전자입니다. 다만 18족처럼 결합에 참여하지 않는 경우에는 원자가 전자를 0으로 봅니다.

교육과정 2022 개정 · 고1 통합과학 · 물질과 규칙성 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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