원소의 주기성 8.1 주기율표의 발전 8.2 원소의 주기적 분류 8.3 물리적 성질의 주기적 변화 8.4 이온화 에너지 8.1 주기율표의 발전 8.2 원소의 주기적 분류 8.3 물리적 성질의 주기적 변화 8.4 이온화 에너지 8.5 전자 친화도 8.6 주족 원소의 화학적 성질 변화 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.  Permission required for reproduction or display.

8.1 주기율표의 발전 19세기 화학자들은 원자 질량에 대한 지식을 이용하여 주기율표를 고안 1869년 러시아의 화학자 멘델레예프(Mendeleev)와 독일의 화학자 마이어(Meyer)는 원소의 규칙적, 주기적인 성질 재현에 기초하여 보다 확장된 원소의 도표화를 독자적으로 제안 멘델레예프의 주기율표 원소의 성질을 기초로 하여 보다 정확하게 분류 아 직 발견되지 않은 몇몇 원소들의 성질을 예측 현대 주기율표 원자 번호에 따른 주기적 성질에 기초하여 배열

원소의 발견 연대표

8.2 원소의 주기적 분류 현대 주기율표의 원소는 전자가 부껍질에 채워진 유형에 따라 다음과 같이 분류됨 현대 주기율표의 원소는 전자가 부껍질에 채워진 유형에 따라 다음과 같이 분류됨 주족 원소(representative element 혹은 main group element) 1,2, 13~17(1A~7A) 족에 속해있는 원소들로 이들 원소 모두는 최대 주양자수의 s나 p 부껍질이 완전히 채워지지 않은 원소 전이 금속 (transition metal) 11족(1B), 12족(2B)과 3~10족(3B~8B)족의 원소들로 d 부껍질이 완전히 채워지지 않았거나, 완전히 채워지지 않은 d 부껍질을 가진 양이온을 잘 형성하는 원소 란타넘족과 악티늄족 완전히 채워지지 않은 f 부껍질을 가지기 때문에, f 구역 전이 원소로 명칭

원소의 분류

원자가전자(valence electron) 최외각 전자 원소의 화학 반응성을 주로 결정 같은 족의 모든 원소들은 원자가전자의 개수와 형태가 같음 원자가전자 배치가 비슷하므로 같은 족에 속한 원소들이 비슷한 화학적 성질

화학 반응식에서 자유 원소 표기 금속 분리된 분자 단위로 존재하지 않으므로 화학 반응식에서는 항상 실험식을 사용 (예: 철  Fe) 비금속 단일 규칙이 없음 탄소: C 수소, 질소, 산소, 할로젠족 원소는 이원자 분자로 존재하며, 화학 반응식에 분자식(H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2)을 사용 인 분자의 안정한 형태는 분자 P4이므로, P4를 사용 황은 S8로 존재하지만, 흔히 실험식인 S를 화학 반응식에 사용

양이온과 음이온의 전자 배치 중성 원자와 같이 파울리 배타 원리와 훈트 규칙을 사용하여 양이온과 음이온의 바닥 상태 전자 배치 주족 원소의 원자에서 만들어진 양이온은 최고 점유 n 껍질로부터 하나 이상의 전자를 제거하여 형성 주족 원소의 원자에서 만들어진 음이온은 하나 이상의 전자가 최고 부분 점유 n 껍질에 더해짐. 양이온 그리고 음이온 모두 안정한 영족 기체 배치

전이 금속에서 유래된 양이온 전이 금속 원자로부터 양이온이 형성될 때, 전자는 항상 ns 궤도에서 먼저 제거되고 그 다음 (n - 1)d 궤도의 것이 제거 Fe: [Ar]4s23d6 Mn: [Ar]4s23d5 Fe2+: [Ar]4s03d6 or [Ar]3d6 Mn2+: [Ar]4s03d5 or [Ar]3d5 Fe3+: [Ar]4s03d5 or [Ar]3d5

8.3 물리적 성질의 주기적 변화 원소의 전자 배치는 원자 번호가 증가함에 따라 주기적 변화 결과적으로 물리적, 화학적 거동에서도 주기성이 나타남 유효 핵전하 (Effective nuclear charge, Z유효) :실제 핵전하(Z)와 다른 전자의 반발 효과(가리움) 모두를 고려할 때 하나의 전자에 의해 느껴지는 핵전하 주기의 오른쪽으로 갈수록 원자가전자에 의해 느끼는 유효 핵전하는 더 큼 주기율표에서 아래쪽으로 갈수록, 유효 핵전하가 증가 Z유효 = Z - σ 0 < σ < Z (σ = 가리움 상수)

유효 핵전하 (Z유효) 증가 Zeff 증가Zeff

원자 반지름의 주기적 경향성 원자 반지름:두 개의 이웃한 금속 원자 내 혹은 이원자 분자 내 두 개의 핵간 거리의 절반 유효 핵전하는 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하기 때문에 원자크기는 감소 같은 족 내에서 아래로 갈수록 n이 증가하기 때문에 원자 반지름은 증가 아이오딘과 같은 이원자 분자로 존재하는 원소에서 원자 반지름은 분자 내 원자 중심간 거리의 절반으로 정의 절반으로 정의 베릴륨과 같은 금속에서 원자 반지름은 이웃한 두 원자 중심간 거리의 반

주기율표 내 위치에 따라 주족 원소의 피코미터 단위의 원자 반지름

이온 반지름 음이온 중성 원자와 핵전하는 같지만 증가된 전자 때문에 생긴 반발력은 전자 구름의 영역을 확장 중성 원자와 핵전하는 같지만 증가된 전자 때문에 생긴 반발력은 전자 구름의 영역을 확장 음이온의 반지름은 원자보다 더 큼 양이온 하나 이상의 전자를 제거하면, 전자간 반발력은 감소하지만 핵전하는 동일하게 유지 양이온의 반지름은 원자보다 더 작음

원자 반지름과 이온 반지름 비교

생활 속의 화학 세 번째 액체 원소? 117 원소, 2개의 액체 at 25℃ : Br2, Hg 223Fr, t1/2 = 21 minutes Liquid?

8.4 이온화 에너지 IE1 < IE2 < IE3 이온화 에너지(ionization energy, IE): 바닥 상태에 있는 기체 원자로부터 한 개의 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지(kJ/mol) 이온화 에너지의 크기는 전자가 원자 내에 얼마나 “단단히” 붙들려 있는지에 대한 척도 전자가 원자로부터 제거될 때, 남아있는 전자간 반발력은 감소 핵전하는 상수로 남아있기 때문에 양전하 이온으로부터 또 다른 전자를 제거하는 데 더 많은 에너지가 필요 IE1 + X (g) → X+(g) + e- IE1 1차 이온화 에너지 IE2 + X+(g) → X2+(g) + e- IE2 2차 이온화 에너지 IE3 + X2+(g) → X3+(g) + e- IE3 3차 이온화 에너지 IE1 < IE2 < IE3

1차 이온화 에너지의 주기적 경향성 한 주기 내에서 원자 번호가 증가함에 따라 유효 핵전하가 증가하기 때문에 원소의 첫번째 이온화 에너지는 증가 같은 족에서 이온화 에너지는 원자 번호가 증가함에 따라 원자 반지름이 커지기 때문에 감소(즉, 족을 따라 아래로 내려감에 따라 감소 ) 1차 이온화 에너지 증가 1차 이온화 에너지 증가

원자 번호에 따른 일차 이온화 에너지의 변화 영족 기체는 이온화 에너지가 높음 알칼리 금속과 알칼리 토금속은 이온화 에너지가 낮음

8.5 전자 친화도 전자 친화도(electron affinity, EA): 기체 상태에 있는 원자가 전자 하나를 받아들여 음이온을 형성할 때 발생하는 음의 에너지 변화 원소의 전자 친화도가 양의 값이 더 클수록, 전자를 받아들이는 원소의 한 원자의 능력이 증가 큰 양의 값을 갖는 전자 친화도는 음이온이 매우 안정 X (g) + e- → X-(g) F(g) + e- → F-(g) ΔH = -328 kJ/mol EA = +328 kJ/mol O(g) + e- → O-(g) ΔH = -141 kJ/mol EA = +141 kJ/mol

동일 주기에서 전자 친화도와 유효 핵전하 간에는 같은 경향성

8.6 주족 원소의 화학적 성질 변화 화학적 성질의 일반적 경향 동일 족에 속한 원소는 유사한 화학적 성질을 나타냄 대각선 관계(diagonal relationship)에 있는 몇몇 주족 원소는 비슷한 경향을 나타냄  양이온들의 전하 밀도(charge density)가 비슷하기 때문

수소(1s1) 수소는 1A족으로 보이나, 실제 그 자체를 하나로 분류 s 원자가전자 1개를 가지고 있으므로 1가 양이온(H+)을 형성되며, 이 양이온은 쉽게 수화됨 수소는 NaH, CaH2와 같은 이온 결합 화합물에서 수소화 음이온(H-)을 형성 수소화 음이온은 물에서 수소 기체와 수산화물을 형성 수소의 가장 중요한 화합물은 물로 수소가 공기 중에서 연소할 때 형성

1A족 원소(ns1, n ≥ 2) 유일한 원자가전자가 쉽게 제거 됨  낮은 이온화 에너지 화합물의 대다수에서 이 원소들은 1가 양이온 형성 반응성이 큼. 물과 반응하여 수소 기체와 금속 수산화물을 생성 공기 중에서 산소 기체와 반응하여 산화물을 형성 4Li(s) + O2 (g) → 2Li2O(s) Li 이와의 모든 알칼리 금속은 과산화물(peroxide, O22-) 형성 2Na(s) + O2 (g) → Na2O2 (s) 2M(s) + 2H2O(l) → 2MOH(aq) + H2(g) 반응성 증가

1A족 원소들(ns1, n  2)

2A족 원소(ns2, n  2) 알칼리 토금속은 알칼리 금속보다 반응성이 다소 작음 1차 이온화 에너지와 2차 이온화 에너지 모두 베릴륨에서 바륨으로 갈수록 감소 M2+ 이온을 형성 금속성은 아래로 갈수록 증가 베릴륨 화합물(BeH2 및 BeCl2 등)과 몇몇 마그네슘 화합물(MgH2)은 자연계에서 이온 결합보다는 분자성 화합물로 존재 베릴륨은 물과 반응하지 않으며, 마그네슘은 수증기와 서서히 반응하며, 칼슘, 스트론튬, 바륨은 찬물과도 반응 Be(s) + 2H2O(l) → No Reaction Mg(s) + 2H2O(g) → Mg(OH)2(aq) + H2(g) M(s) + 2H2O(l) → M(OH)2(aq) + H2(g) M = Ca, Sr, or Ba

베릴륨과 마그네슘은 높은 온도에서만 산화물(BeO, MgO)를 형성하는 반면, CaO, SrO, BaO는 상온에서 산화물을 형성 마그네슘은 수용액에서 산과 반응하여 수소 기체를 방출

2Al(s) + 6H+(aq) → 2Al3+(aq) + 3H2(g) 3A족 원소들(ns2np1, n  2) 첫 번째 원소인 붕소는 준금속이며 나머지 원소들은 금속 붕소는 이성분 이온 결합 화합물을 형성하지 않으며 산소 기체, 물과 반응성이 없음. 알루미늄은 공기 중에 노출되었을 때 쉽게 산화 알루미늄을 형성 알루미늄은 염산과도 반응 다른 3A족 금속 원소들은 1가와 3가 양이온을 형성 족을 따라 아래로 내려가면, 1가 양이온과 3가 양이온보다 안정적 4Al(s) + 3O2(g) → 2Al2O3(s) 2Al(s) + 6H+(aq) → 2Al3+(aq) + 3H2(g)

3A족 원소들(ns2np1, n  2)

4A족 원소(ns2np2, n  2) 4A족의 첫 번째 원소인 탄소는 비금속이며, 다음 두 원소인 규소와 저마늄은 준금속 금속 원소인 주석과 납은 물과 반응하지 않으나 산(예를 들어, 염산)과 반응하여 수소 기체를 발생 4A족 원소들은 +2와 +4의 산화 상태에서 화합물을 형성 탄소와 규소는 +4의 산화 상태에서 더 안정 4A족을 따라 아래로 내려가면, 안정성의 경향은 반대 Sn(s) + 2H+ (aq) → Sn2+(aq) + H2(g) Pb(s) + 2H+(aq) → Pb2+(aq) + H2(g)

4A족 원소(ns2np2, n  2)

5A족 원소(ns2np3, n  2) 질소와 인은 비금속, 비소와 안티모니는 준금속, 비스무트는 금속 질소는 이원자 기체(N2)로 존재, 많은 산화물(NO, N2O, NO2, N2O4, N2O5)을 형성 질소는 3개의 전자를 받아들여 질소화 이온(N3-)을 형성하려는 경향 인은 P4 분자로 존재하며, P4O6와 P4O10의 화학식을 가진 두 개의 고체 산화물을 형성 중요한 산소산인 HNO3와 H3PO4는 다음 산화물과 물이 반응하여 생성 N2O5(s) + H2O(l) → 2HNO3(aq) P4O10 (s) + 6H2O(l) → 4H3PO4(aq)

5A족 원소(ns2np3, n  2)

6A족 원소(ns2np4, n  2) 산소, 황, 셀레늄은 비금속, 텔루륨과 폴로늄은 준금속 산소는 이원자 기체 황과 셀레늄의 분자식은 S8과 Se8 텔루륨과 폴로늄은 거대한 3차원 구조 폴로늄은 실험실에서 연구하기 어려운 방사선 원소 산소는 많은 이온 결합 화합물에서 두 개의 전자를 받아들여 산화 이온(O2-)을 형성하는 경향 황, 셀레늄, 텔루륨도 2가 음이온(S2-, Se2-, Te2-)을 형성 가장 중요한 상업적 황 화합물은 황산으로 삼산화 황이 물과 반응할 때 형성 SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)

6A족 원소(ns2np4, n  2)

7A족 원소(ns2np5, n  2) 모든 할로젠 원소는 X2의 일반적 화학식을 가진 비금속 할로젠 족은 반응성이 크기 때문에 원소 형태로 발견되지 않음 아스타틴은 방사성 원소이며, 그 성질이 거의 알려져 있지 않음 플루오린은 반응성이 커서 물과 반응하여 산소를 발생 할로젠 족은 이온화 에너지가 높고 전기 음성도가 큰 양의 값 음이온(F-, Cl-, Br-, I-)은 할로젠화(halide) 이온, 주기율표에서 할로젠 원소 바로 오른쪽에 위치한 영족 기체와 등전자 상태 알칼리 및 알칼리 토금속과 이온 결합 화합물 형성 할로젠 원소 상호간 분자 화합물(예를 들어 ICl, BrF3) 형성. 다른 족 비금속 원소들과 많은 분자 화합물(NF3, PCl5, SF6)을 형성 할로젠 원소들은 수소와 반응하여 할로젠화 수소를 형성 F2(g) + H2O(l) → 4HF(aq) + O2(g) X2(g) + H2 (g) → 2HX(g)

7A족 원소(ns2np5, n  2) 반응성 증가

8A족 원소(ns2np6, n  2) 모든 영족 기체는 단원자 종으로 존재 이온화 에너지는 모든 원소들 중 가장 커서 여분의 전자를 받아들이는 경향이 매우 적음 반응성이 거의 없음(비활성 기체) 제논(xenon) 화합물 : XeF4, XeO3, XeO4, XeOF4 크립톤(krypton)화합물 : KrF2 비활성 기체 화합물

8A족 원소(ns2np6, n  2) 모든 영족 기체는 무색, 무취 그림은 방전관에서 영족 기체에 의해 발생되는 색

1A족과 1B족 원소의 비교 최외각 s 궤도에 1개 전자를 가지는 흡사한 외각 전자 배치를 가지지만, 다른 화학적 성질(이온화 에너지의 차이에 기인) 낮은 IE1, 좀 더 반응적

주기에 따른 산화물의 성질 basic acidic

생활 속의 화학 영족 기체의 발견 Ar 발견 3Mg(s) + N2(g) → Mg3N2(s) 모든 질소가 마그네슘과 반응한 이후 램지는 어떤 것과도 결합하지 않는 미지의 기체가 남아있음을 발견.(1894년) 그 기체의 방출 스펙트럼이 기존의 어느 원소와도 일치하지 않음.(1882년) 아르곤이 발견된 이후 다른 영족 기체들이 곧 확인 (He: 1895, Kr: 1898, Ne: 1898, Xe: 1898) 윌리엄 램지 경(1852~1916) 1785년 헨리 캐번디시는 공기 중에 전류를 흘려 질산을 생성시키는 실험을 하였는데, 이 과정에서 소량의 기체가 반응하지 않고 남아있는 것을 관찰