[원소 주기적 성질] 유효 핵전하 & 원자 반지름 & 이온 반지름 & 등전자계열

먼저 원소 주기율표부터 봅시다. 지금부터 설명할 위 3가지 개념은 원소 주기율표를 바탕으로 이루어집니다.

원소 주기율표

1. 유효 핵전하

- 유효 핵전하라는 것을 이해하려면 보어의 수소 모델을 떠올리면 됩니다. 핵 주변에 도는 전하들. 이들을 핵전하라고 합니다. 다만 이 핵전하는 전부 핵에 영향력을 미치진 못합니다. 핵 주위에는 수많은 궤도들이 존재합니다. 만약 1번궤도에서 전하 2개. 2번궤도에서 전하가 5개 있다고 합시다. 그러면 2번궤도에서 전하 5개는 1번궤도에 존재하는 전하 2개에 의해 실질적으로는 3개의 전하만이 핵에 영향력을 행세할 수 있습니다. 

 

이를 유효핵전하라고 합니다.  공식도 있던데 딱히 외울 필욘 없어보여요. Z_eff =Z-S 라고 나오던데

Z_eff가 유효핵전하고 Z는 핵전하, S는 가리움 상수를 뜻합니다.

 

유효 핵전하는 주기율표 상에서  왼쪽으로 갈수록 커지는 모습을 보입니다. 아래로 내려가는 것은 큰 차이는 없으나 미세하게나마 증가하는 편입니다. 

 

2. 원자 반지름

- 원자 반지름은 원자 간의 결합 반지름이라 봐도 됩니다. 그렇기 때문에 여러분도 유추할 수 있듯이 두 원자 간의 인력의 세기가 강하다면  원자 반지름은 작아진다고 볼 수 있습니다. 바로 쿨롱힘이 원자 반지름과 연관이 있죠.

그렇다면 원자 반지름은 어떨 때 커질까요? 일단, 원자의 크기 자체가 크다면 반지름도 커지겠죠? 당연합니다. 

따라서 원자 반지름은 주기율표 상에서 아래로 내려갈수록 강합니다.  그러면 좌우는 어떠할까요?

전하량의 크기는 몇가이온인지가 중요하다고 생각하실겁니다. 따라서 원자 반지름은 굳이 따지자면 2가 양이온, 2가 음이온인 부분이 제일 반지름이 작다! 라고 생각하곤 합니다. 

 

틀린 생각이지만 그래도 헛짚었지는 않았습니다. 오히려 괜찮은 접근입니다. 실제로 원자 반지름은 1족 이온들이 가장 큽니다. 1가이온들로 이루어져있기 때문입니다.  그러면 대체 왜? 17족 이온은들 원자 반지름이 커야맞지 않을까?

그 이유는 유효 핵전하에 있습니다. 유효 핵전하는 주기율표 상에서 오른쪽으로 이동할 수록 커진다고 했습니다. 즉, 핵이 이 전하들을 끌어당기는 힘이 커진다는 의미이기 때문에 원자 반지름은 감소하게 됩니다.

 

"원자 반지름은 주기율표 상에서 아래로 내려갈수록 커지며, 왼쪽으로 갈수록 커진다."

 

3. 이온 반지름

- 이온 반지름은 전자 구름을 근거로 합니다. 따라서 전자 쌍 반발력이 전자 구름의 크기를 결정합니다.  

그렇기 때문에 동일한 전하 상에서는 아래로 갈수록 커집니다. 아래로 갈수록 커지는 이유는 궤도가 늘어나니까 전자 구름 영역이 훨씬 커지기 때문입니다.  그러면 좌우는 어떤가요? 이거는 쉽게 결정을 못합니다. 일반적으로는 양이온과 중성원자와 음이온 3개를 비교하는데요. 음이온일 때 이온 반지름 크기가 큽니다. 왜냐? 전자가 더 있는 상태니까 전자쌍 반발력이 더 커질테니까요. 그런 이유라면 이온 반지름의 크기는 '양이온 < 중성 원자 < 음이온'이 되겠죠?

 

이온 반지름에서는 등전자계열의 반지름 크기를 비교하는게 나름의 킬링 포인트입니다. 

지금 제가 위에서는 전자의 개수에 따라 이온 반지름 크기를 비교했죠? 이번에는 전자가 같을 때 이야기입니다. 이들을 등전자 계열이라고 하는데 등전자 계열일 때는 원자 번호가 큰 애일수록 이온 반지름이 감소합니다.  그 이유는 이온 반지름은 핵전하가 증가할수록 감소하는 모습을 보이기 때문입니다.