원소의 주기성
본문리튬, 나트륨, 칼륨은 모두 물에 넣으면 격렬하게 반응하는 무른 금속이다. 이 셋은 원자 번호가 3, 11, 19로 8씩 떨어져 있다. 원자 번호가 8 차이 나는 원소끼리 성질이 닮는 것은 우연일까? 주기율표의 줄은 왜 2, 8, 8에서 바뀔까?
2.3.1되풀이를 줄 바꿈으로
19세기에 멘델레예프는 원소를 원자량 순서로 늘어놓다가 비슷한 성질이 일정한 간격으로 다시 나타난다는 것을 알아챘다. 그래서 비슷한 원소가 같은 세로줄에 오도록 줄을 바꾸어 표를 만들었는데, 이것이 주기율표의 시작이다. 오늘날의 주기율표는 원자 번호 순서로 원소를 배열한다.
주기율표의 가로줄을 주기, 세로줄을 족이라 한다. 같은 족의 원소는 화학적 성질이 비슷하다. 1족의 리튬, 나트륨, 칼륨(수소 제외)을 알칼리 금속, 17족의 플루오린, 염소, 브로민을 할로젠, 18족의 헬륨, 네온, 아르곤을 비활성 기체라 한다.
2.3.2전자 껍질과 원자가 전자
원자 속 전자는 원자핵 둘레의 몇 개의 층, 곧 전자 껍질에 나뉘어 있다. 원자 번호 20까지는 첫째 껍질에 2개, 둘째 껍질에 8개, 셋째 껍질에 8개까지 채워지고, 넷째 껍질에 그다음 전자가 들어간다고 보면 된다.1 그림 1의 슬라이더로 원자 번호를 하나씩 올려 보면, 껍질 하나가 가득 찰 때마다 새 껍질이 시작된다.
원소가 다른 원소와 반응할 때 주로 관여하는 것은 가장 바깥 껍질의 전자이다. 이 전자를 원자가 전자라 한다. 리튬(2, 1), 나트륨(2, 8, 1), 칼륨(2, 8, 8, 1)은 모두 원자가 전자가 1개이다. 따라서 셋은 그 전자 하나를 잃기 쉽고, 반응하는 모습이 닮는다.
같은 족 원소는 원자가 전자 수가 같아 화학적 성질이 비슷하다. 같은 주기 원소는 전자 껍질 수가 같다. 1, 2족 원소의 원자가 전자 수는 족 번호와 같고, 13~17족 원소는 족 번호의 일의 자리 수와 같다.
원자 번호가 8씩 떨어진 원소가 닮는 이유가 여기에 있다. 둘째와 셋째 껍질에 전자가 8개씩 들어가므로, 원자 번호가 8 늘어나면 껍질 하나가 채워지고 원자가 전자 수는 처음으로 돌아온다. 즉 주기율표의 줄이 2, 8, 8에서 바뀌는 것은 껍질에 들어가는 전자의 수 때문이다.
2.3.3예제 풀이
원자 번호 9인 플루오린과 17인 염소의 전자 배치를 쓰고, 두 원소가 비슷한 성질을 갖는 까닭을 설명하여라. 또 둘 가운데 반응성이 더 큰 쪽을 고르고 그 까닭을 말하여라.
플루오린은 전자 9개가 (2, 7)로, 염소는 17개가 (2, 8, 7)로 배치된다. 둘 다 원자가 전자가 7개이므로 전자 하나를 얻어 바깥 껍질을 8개로 채우려는 경향이 같다. 그래서 둘은 모두 17족 할로젠이고, 금속과 만나 비슷한 화합물을 만든다.
그런데 플루오린은 껍질이 2개라 바깥 껍질이 원자핵에 더 가깝다. 따라서 새로 들어올 전자를 원자핵이 더 강하게 끌어당기고, 전자를 얻는 반응이 더 잘 일어난다. 즉 할로젠은 위쪽 원소일수록 반응성이 크고, 플루오린이 염소보다 반응성이 크다.
반대로 알칼리 금속은 전자를 잃는 쪽이므로, 바깥 전자가 원자핵에서 먼 아래쪽 원소일수록 전자를 쉽게 잃어 반응성이 크다. 그래서 칼륨이 나트륨보다 물과 더 격렬하게 반응한다. 아래 탐구 카드에서 원자 번호를 바꾸며 껍질이 채워지는 모습과 같은 족 원소의 반응을 직접 비교해 보자.
- 셋째 껍질에는 실제로 18개까지 들어갈 수 있지만, 칼륨(19)과 칼슘(20)에서는 넷째 껍질에 전자가 먼저 들어간다. 이 단계에서는 2, 8, 8, 2까지만 다룬다.
전자는 안쪽 껍질부터 2개, 8개, 8개씩 채워지므로, 원자 번호가 늘어날 때 원자가 전자 수가 일정한 간격으로 되풀이되고, 원자가 전자 수가 같은 원소끼리 화학적 성질이 비슷하다. 그래서 처음 질문의 리튬, 나트륨, 칼륨은 원자가 전자가 모두 1개라서 같은 족에 놓이고 비슷하게 반응한다.