5월의 작은 선인장

원소주기율표 분석하기 #2/3

원소주기율표의 기본적 생김새

110번까지의 원소까지 나타낸 원소주기율표의 기본적인 모양이다.왼쪽과 오른쪽 가장 높은 곳이 2칸이고, 그 밑의 층을 이루는 칸이 6개 추가된다. 가장 밑 부분의 칸은 10개가 추가되고, 또다시 그 밑의 칸은 14개가 추가되는데 이는 각각의 원자부껍질에 들어가는 전자의 수와 일치한다. 이는 나중에 다시 살펴보기로 하고.... 일단은 다른 성질부터 살펴보자.


원소주기율표의 기본적인 설명을 붙여봤다. 맨 위에 0이라고 쓴 것은 그 세로줄이 0족원소들로 이루어져 있음을 뜻한다. 이들은 기본적으로 다른 원자들과 화합물을 만들지 않는다고 알려져 있다.1A와 2A는 각각 s 부껍질을 채우는 순서에 있는 원소들로 이루어져 있다. 원자가전자가 1개~2개 뿐이어서 전자를 잃어버리는 성질이 무척 강하다.
3B~7B는 p 부껍질을 채우는 순서에 있는 원소들로 이루어져 있다. (약간의 예외로 훈트의 규칙에 따르는 원소들은 특이한 성질이 존재한다. 나중에 살펴보도록 하자.)
가운데 빨간 색으로 이루어진 3A~1B와 검정색인 2B는 d 부껍질을 채우는 원소들인데, 1B족까지를 우리는 전이원소라고 부른다. 이들은 화학적 성질과 물리적 성질이 매우 유사해서 원자들을 정제하기가 매우 어렵다.

가로줄은 최외각전자의 주양자수를 나타낸다. 여기서 최외각전자의 주양자수가 기준이 되는 것은 부양자수는 꼭 그 줄에서 따르지 않아도 된다는 것을 의미한다.

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이번 그림에서는 주기율표에서의 원자들의 크기 변화를 보여주는 것이다.
멘델레에프가 원소주기율표를 처음 발견했을 때에 원자들의 크기가 가장 중요한 기준이었다. 따라서 이 표를 보면 많은 중요한 것들을 알 수 있을 것으로 생각된다.

우선 가로줄은 오른쪽으로 갈수록 원자들이 작아진다. 그에 다한 설명은 일반원소의 그림을 보면 이해가 쉬울 것이다.
원자들은 핵에 양전하가 있고, 주변을 음전하를 띄는 전자가 운동하고 있다. 원자의 크기는 대략적으로 원자핵과 최외각전자가 쿨롱의 힘에 의해서 결정되는데, 전자의 개수가 늘어나면 같은 수만큼 원자핵의 양전하의 양도 늘어나서 주변 전자를 더 강력하게 잡아다니게 된다.
따라서 대부분의 조건이 비슷한 가로줄에 위치한 원소들은 오른쪽에 위치한 원소들이 상대적으로 높은 원자번호를 갖음으로 원자의 크기가 작게 된다.
그러나 0족 원소(위 그림에서 녹색 동그라미 줄)는 이 법칙을 따르지 않는다. 이들은 최외각전자가 8개가 되는데, 이들 전자들간의 반발력이 강해져서 원자핵이 잡아다니는 쿨롱의 힘에 의해 결정되는 크기보다 더 커지게 된다.  그래서 크기는 가로줄의 가운데 쯤에 위치한 원소들과 비슷한 크기를 띈다.

반면 원소주기율표에서 하늘색으로 칠해진 부분에 위치한 원소들은 전이원소와 같은 모습을 하고 있다. 이들은 s 원자부껍질을 다 채운 뒤에 p 원자부껍질을 채우기 전에 d나 f 원자부껍질을 채우게 된다. (이 순서는 바로 다음에 살펴보자.) 그런데 이 d나 f 원자부껍질은 s 원자부껍질과 같은 원자껍질에 존재하는 것이 아니라 그 안에 원자껍질에 위치한 원자부껍질을 채우는 것이다.
결국 원자 내의 전자의 개수와 원자핵의 양전하가 늘어난다고 해도 최외각전자가 느끼기에는 (중간의 원자부껍질에 음전하가 같은 양만큼 늘어나기 때문에) 똑같은 힘을 받게 될 것이다.
이를 가림효과라고 하는데, 보어의 원자모형으로 계산한 값이 슈뢰딩거의 원자모형으로 계산한 값보다 대략 10% 정도 더 크게 계산된다고 한다. 이러한 이유는 양자역학에서 말하는 확률적 분포로 인해서 원자가전자가 내부로 침투하는 확률이 존재하기 때문이다.

세로로의 변화는 밑으로 내려갈수록 점점 원자의 크기가 커지는데 이는 주양자수가 커질수록 전자가 갖어야 하는 공명의 진동수가 많아져야 하기 때문이다.

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원자부껍질에 대해서 알아보기 위해서 원소주기율표를 이렇게 잠시 변형시켜보자.
이렇게 바꿀때는.... 주의할 중요한 점이 존재하는데... 이 글에서는 그 부분에 대해서는 생략하고자 한다.

각 줄별로 살펴보면 보라색으로 되어있는 부분은 s 원자부껍질을 전자들이 채우는 원소들이고, 녹색으로 칠해져 있는 부분은 p 오비탈이 채워지고 있는 원소들이다.
주황색으로 칠해져 있는 원소들은 d 오비탈을 채우는 원소들이고, 풀색으로 칠해진 원소들은 f 오비탈을 채우는 원소들이다. 이들의 변화 수는 2,6,10,14로 되어있는데, 이들의 변화 규칙은 변화되고 있는 원자부껍질에 들어가는 전자들의 개수와 일치할 수밖에 없음을 알 수 있다. ^^;
각 칸에는 필요한 주양자수와 원자부껍질을 적어놨다. 오른쪽에 위치한 방이 왼쪽에 위치한 방들보다 항상 숫자가 큼에 주의해야 한다. (가장 오른쪽의 s 원자부껍질과 관련된 것은 원래는 맨 왼쪽 한칸 밑에 위치해야 하는 것이므로 p오비탈의 변화와 같은 주양자수를 갖게 되어 최외각전자의 변화가 나타날 수 있음을 알 수 있다.

주기율표 위의 각 원자껍질별로 원자부껍질을 표시한 곳에 화살표로 그려놓은 것을 잘 봐두기 바란다. 이는 원자부껍질 사이에 에너지 순서를 나타내는 그림이며, 전자가 원자부껍질을 채울 때는 위 그림 순서대로 에너지가 낮은 것부터 채우게 된다.

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