전기 음성도, 유효 핵전하, 원자 반지름, 이온 반지름, 이온화 에너지

 

전기 음성도 (Electronegativity)

정의: 원자가 전자를 끌어당기는 정도

 

원자 중심에 존재하는 원자핵은 (+) 전하를 띠고 있으며, 그에 따라 (-) 전하를 띠는 주위의 전자를 끌어당긴다. 이 인력의 크기를 전기 음성도라고 한다.

 

전기 음성도를 결정짓는 요인

1) 원자핵의 전하량의 크기 : (+) 전하량이 크면 (-) 전하를 끌어당기는 힘이 커진다.

2) 원자 자체의 크기 : 원자의 크기가 작을수록 원자핵과 전자 간의 거리가 가까워져 인력이 증가한다.

 

전기 음성도가 가장 큰 원자는 플루오린이며, 4.0의 전기 음성도를 가진다. 3.5의 산소, 3.0의 질소가 그 뒤를 잇는다.

 

전기 음성도를 알면 유용한 점, 전기 음성도 값이 화학 연구에 동원되는 방식

: 화학 결합 시 원자가 전자를 당기는 힘의 규모를 알 수 있다 -> 결합 '방식' 을 예측할 수 있다.

전기 음성도의 차이가 큰 원자끼리 결합하게 되면, 둘 중 전기 음성도가 더 큰 원자가 두 원자 인근에 있던 전자를 모두 잡아당겨 독차지해 음이온이 되어 버릴 가능성이 높다. 인력이 약해 주변 전자들을 끌고 오지 못하고 뺏겨 버린 남은 원자는 (-) 전하가 정석보다 적어짐에 따라 양이온이 된다. 두 원자가 음이온-양이온이 되면 둘의 결합은 이온 결합의 행태를 띤다.

그렇다면 반대로 전기 음성도가 비슷한 두 원자가 결합하는 상황에서는 어떨까? 두 원자 중 어느 한쪽이 눈에 띄는 힘으로 전자를 독점하려고 하지 않기 때문에 둘은 전하를 고르게, 균등하게 나누어 갖게 된다. 이와 같은 경우 원자들은 정전기적 인력으로 결합하는 것이 아니라 각자의 전자를 공유함으로써 본드를 형성하는 공유 결합이 될 가능성이 높다.

이렇게 '전자를 당기는 힘의 크기' 를 일컫는 전기 음성도를 활용하면 여러 원자와 분자들 간의 관계와 결합 방식을 설명할 수 있다.

 

 

유효 핵전하

정의: 전자가 실질적으로 느끼는 원자핵의 전하량

 

원자는 한가운데에 존재하는 원자핵을 중심으로, 전자가 여러 겹의 전자 껍질에 규칙적으로 축적되며 그 골격을 완성한다. 첫 번째 전자 껍질에는 두 개의 전자만이 자리할 수 있고, 그 다음으로 끌려오는 여덟 개의 전자들은 두 번째 껍질에 위치하게 된다. 원자핵의 양전하에 끌려 다가온 전자는 비슷한 궤도에 놓인 다른 전자들과는 척력을 내보이며 대치한다. 같은 전하끼리는 서로를 밀어낸다는 성질 때문에 똑같이 (-) 전하를 띠는 각 전자들은 원자핵의 인력에도 불구하고 일정 거리 이상으로 가까워지지 못하는 것이다. 게다가 원자핵과 가장 가까운, 고로 원자핵의 힘이 온전히 영향력을 행사하는 첫 번째 껍질의 전자들이 아니라면 '가려막기 효과' 도 발생한다. 두 번째, 세 번째 전자 껍질의 전자들은 각기 앞선 껍질의 전자들에게 가려지는 것이다. 이렇게 전자 간 척력과 가려막기 효과로 인해, 전자들이 이론상 느껴야 할 원자핵 전하와 실질적으로 느끼는 원자핵 전하 사이에는 차이가 발생한다. 이때 전자가 '실질적으로 느끼는 핵전하' 를 유효 핵전하라고 한다.

 

유효 핵전하는 같은 주기에서는 오른쪽으로 갈수록 늘어난다. 

 

 

 

원자 반지름

정의: 원자를 '구' 라고 했을 때 그 구의 반지름. 같은 원자 두 개의 결합체의 반지름을 구할 때는 결합체의 핵간 거리를 구하고 2로 나누는 방식을 사용하기로 약속함. (이렇게 구하면 실제 구의 반지름보다는 작아지긴 한다)

 

원자 반지름은

1) 유효 핵전하의 영향을 받는다. 원자핵이 전자를 세게 잡아당길수록 전자가 핵에 가까이 달라붙기 때문에 원자의 크기가 작아진다.

2) 전자 껍질 수에 영향을 받는다. 전자 껍질이 많을수록 핵과 전자 사이의 거리가 멀어지므로 원자 반지름이 커짐.

 

[원자 반지름]

1. 같은 주기에서 -> 오른쪽으로 갈수록 작아짐. 전자 껍질 수가 같지만 주기율표 우측으로 향할수록 유효 핵전하가 커지기 때문.

2. 같은 족에서 -> 원자 번호가 커질수록 커짐. 전자껍질 수가 증가하기 때문.

 

 

 

이온 반지름

 

원자가 양이온이 된다는 것은 최외각 껍질에서 기존에 보유하고 있던 전자를 버린다는 것이므로, 이온 반지름은 작아진다.

원자가 음이온이 된다는 것은 최외각 껍질에 전자를 더 물어온다는 뜻인데, 전자가 늘어나면 전자 간 반발력의 증대로 인해 이온 반지름 역시 소폭 커진다.

 

[이온 반지름]

1. 같은 주기에서 -> 양이온, 음이온 모두 원자 번호가 커질수록 이온 반지름 감소

2. 같은 족에서 -> 양이온, 음이온 모두 원자 번호가 커질수록 이온 반지름 증가

 

 

 

이온화 에너지

정의: 기체 상태의 원자에서 전자 한 개가 떨어져나가는 데 필요한 최소한의 에너지 (마지노선)

예) 나트륨 원자에서 전자를 떼어내 Na+ 이온이 되는 과정에서 필요한 에너지

 

이온화 에너지가 작다 -> 전자가 떨어져나가는 데 필요한 에너지량의 마지노선이 낮다 -> 전자가 쉽게 떨어져나간다

이온화 에너지가 크다 -> 전자가 떨어져나가는 데 필요한 에너지가 크다 -> 전자가 잘 떨어져나가지 않는다

 

주기율표에서 좌측에 위치할수록 원자가 전자를 0으로 맞추어 원자를 안정화하기 위해 전자들을 떨쳐 버리려는 욕구가 강하기 때문에 이온화 에너지가 작다. 기회만 나면 전자를 쉽게 떼어낸다. (이는 주기율표 좌측 원소들은 최외각 전자 수가 적기 때문에 이들에게는 전자를 이곳저곳에서 끌고 와 기존 최외각 껍질의 전자를 8개로 맞추는 것보다 껍질 하나를 떨쳐 버리는 것이 훨씬 용이한 안정화 과정이기 때문이다.) 반면 주기율표에서 우측에 위치할수록 전자를 끌어당겨 최외각 전자를 8로 채우려는 욕구가 강하다. 그러므로 전자를 당기면 당겼지, 놓지는 않으려고 한다. 이온화 에너지가 크다는 뜻이다.

 

이온화 에너지는 원자 반지름이 클수록 커진다. 원자 반지름이 크다는 것은 보유 전자 수가 많다는 뜻이고, 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있는 전자가 다수 존재한다는 뜻이다. 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있는 전자는 유효 핵전하가 낮아 (느끼는 인력이 작아) 다른 전자들과의 군집에서 수월하게 빠져나갈 수 있다.

 

[이온화 에너지]

1. 같은 주기에서 -> 오른쪽으로 갈수록 증가 (주기율표 우측으로 향할수록 전자를 떼어내기보단 새 전자를 얻어 안정화하려고 하므로 같은 주기의 원자 세트 중에서는 표 우측의 원자들이 전자가 떨어져나가는 데 필요한 에너지가 크다)

2. 같은 족에서 -> 원자 번호가 커질수록 감소 (같은 족이면 원자 번호가 커질수록 원자 반지름이 커지기 때문)

 

☆☆ 예외 사항: 베릴륨 Be와 붕소 B, 질소 N과 산소 O는 예외이다. 원래대로라면 붕소와 산소가 베릴륨과 질소보다 이온화 에너지가 강해야 하나, 이들은 예외라 베릴륨과 질소가 더 강한 이온화 에너지를 가진다.