주기율표 Arrangement of the Elements

주기율표

Arrangement of the Elements

• 화학자들은 원소들을 분류하는 방법을 모색해 왔다.

• 1829년, 독일 화학자 J. W. Döbereiner가 여러 원소들이 세 개 원소로 이루어진 하나의 그룹으로 분류됨을 관찰.

• 한 그룹 안의 각각의 세 원소들은 화학반응에서 유사성을 갖음: 밀도, 융점, 원자량과 같은 물리적 성질에도 같은 경향성.

Organizing the Elements

• J. A. R. Newlands의 제안(1865년): 62개의 알려진 원소들은 원자량이 증가하는 순서에 의해 7개의 그룹으로 배열될 수 있다.

– 옥타브법칙으로 불려짐

• 8번째 원소는 앞 그룹의 첫 번째 원소의 성질들을 되풀이 된다고 제안.

• 그의 이론은 인정 받기까지는 20년이 걸림; 대부분 수정됨.  

Mendeleev’s Periodic Table

• Mendeleev은 원소들을 원자량이 증가하는 순서로 배열하면 원소들이 규칙적인 간격을 두고 되풀이된다고 제안.

• Mendeleev은 현대 주기율표의 기틀을 만듬.

Prediction of New Elements

• Mendeleev은 주기율표에서 발견되지 않는 원소들도 있음을 주목.

• 그는 알려지지 않는 원소 ekasilicon을 1869년에 예측하며 이것은 1886년에 발견되어 게르마늄 (germanium)이라 명명됨.

The Noble Gases (영족 기체)

• 1894년 아르곤의 발견과 함께 주기율표의 오른쪽에  비슷한 원소들의 그룹으로 확장.

• 헬륨, 네온, 크립톤, 제논, 그리고 라돈이 순서적으로 5년 이내에 발견.

• 비활성 기체라고 불림.

• 최근, 제논과 크립톤의 여러 화합물이 만들어져 비활성 기체 대신 영족 기체라고 함.

Refined Arrangement

• H. G. J. Moseley은 주기율표에 배열된 각 원소의 핵전하가 하나씩 증가함을 발견.

• 모즐리는 원자량에 의한 것 보다는 핵전하 증가에 따라 원소를 배열하는 것이 원소의 주기적인 성질을 더 잘 설명한다고 결론내림.

• 즉, 핵전하는 핵 속의 양성자의 수, 원자번호에 의함.

The Periodic Law(주기율)

• 주기율은 원자번호가 증가함에 따라 배열된 원소의 주기적 성질을 나타냄.

• 보어의 전자에너지 준위의 개념을 도입하여 주기율표는 새로운 모양을 갖게 됨.

Groups & Periods of Elements(원소들의 족과 주기)

• 주기율표의 세로 열은 원소들의 족(group or family)이라 한다.

• 가로줄은 원소들의 주기( period or series )라고 한다.

• 18족과 7 주기가 주기율표에 있다.

Periods on the Periodic Table

• 7주기를 1에서 7까지 번호가 매겨져 있다.

• 첫번째 주기에는 2개의 원소로 된다: H, He.

• 두번째 주기와 세번째 주기에는 8개 원소가 있다:

– Li에서 Ne, 그리고 Na에서 Ar

• 네번째, 다섯번째는 18개 원소가 있다:

– K에서Kr, 그리고 Rb에서 Xe

주기율표에서 수소의 위치

• 수소는 주기율표에서 아주 특별한 위치를 차지한다.

• 수소는 비금속과 비슷한 성질을 가지는 기체이다. 

• 수소는 하나의 전자를 잃으며 반응하므로 금속과 비슷하다.

• 여기서는 수소의 이러한 특이한 행동으로 주기율표의 중간에 둔다. 

Groups on the Periodic Table

• 주기율표에 18개의 세로 열이 있다. 

• 과거, 미국 화학자들이 로마숫자(I through VIII)와 문자(A or B)로 원소의 족을 표시.

– IA is Li to Fr – IIB is Zn, Cd, Hg

– IIB is Be to Ra – VA is N to Bi

Groups on the Periodic Table

• 1920년 IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 숫자 1에서 18까지를 사용하여 족의 번호를 매기는 것을 제안함.

– Group 1 is Li to Fr – Group 12 is Zn, Cd, Hg

– Group 2 is Be to Ra – Group 15 is N to Bi

Groupings of Elements

• 원소들은 다음 그룹으로 분류할 수 있다: 

• 주족원소 (representative elements or main-group elements) : A groups (groups 1, 2, and 12 – 18).

• 전이원소 (transition elements) : B groups (groups 3 – 12).

• 내부전이원소 (inner transition elements) : 주기율표 아래쪽에서 발견.  희토류 원소(rare earth elements)라 부름.

Groupings of Elements

• 내부전이원소는 란탄족 계열과 악티늄족 계열로 나눈다: lanthanide series, actinide series.

Common Names of Families

• 주기율표의 몇  세로 열은 공통 족 이름으로 불리기도 함.

– Group IA/1 : 알칼리 금속

– Group IIA/2 : 알칼리 토금속

Periodic Trends(주기적 경향)

• 주기율표의 배열은 원소들의 물리적 성질이 정해진 패턴을 따름을 나타낸다. 

• 원자들의 크기나 원자 반지름에서 볼 수 있다. 

• 원자 반지름의 두 가지 경향:

– 같은 족의 밑에서 위로 갈수록 원자 반지름은 감소한다. 

– 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 원자 반지름은 감소한다.

Atomic Radius (원자 반지름)

• 주족의 원자 반지름.

Atomic Radius Trend(원자 반지름 경향)

• 주기율표에서 밑에서 위로 갈수록 에너지 준위의 수가 작아지므로 원자들의 반지름은 작아진다. 

• 주기율표에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 핵의 양성자수가 많아지므로 원자 반지름이 감소한다. 

• 양성자의 수가 증가할수록 핵은 전자를 더 당겨서 원자의 크기를 감소시킨다.

Metallic Character (금속성)

• 금속성은 원소의 금속성질의 정도를 나타냄.

• 금속성은 밑에서 위로, 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 감소한다.

Physical Properties of Elements

• 원소들의 성질이 규칙적 경향을 보이므로 알려지지 않은 원소의 성질도 주위 원소들의 성질을 바탕으로 예측할 수 있다. 

• 예를 들어 표 6.2는 francium, Fr를 제외한 알칼리 금속의 물리적 성질을 나타낸다.

• 이들 알칼리 금속의 성질을 바탕으로 프란슘의 성질을 예측할 수 있다.

Predicting Physical Properties

• 프란슘의 원자반지름은 0.266 nm보다 크며 밀도는 1.87 g/mL보다 크며 녹는점은 28.4°C보다 낮을 것으로 예측.

화학적 성질 예상

• 같은 족의 원소는 비슷한 화학적 성질을 가진다. 

• 모든 알칼리금속은 산소와 일반적 식으로 M2O로 반응:

– Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, and Fr2O.

• 염화칼슘의 화학식은 CaCl2이다.  염화바륨은 무엇인가?

– 일반적 화학식이 MCl2, 그러므로 화학식은 BaCl2.

원소의 성질

1. 보다 더 작은 원자 반지름을 갖는 원소는?

(1) Li, Na    (2) P, N    (3) Mg, Ca    (4) Ar, Kr

2. 보다 큰 금속성을 갖는 원소는?

(1) B, Mg    (2) Na, K   (3) Mg, Ba    (4) H, Fe

3. Na는 염소기체와 반응하여 NaCl생성; Li, K의 염소와의 반응 시 생성물은?

4. 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘의 산화물의 화학식: Na2O, MgO, Al2O3, SiO2. 다음의 화학식을 예상하라: 산화리튬, 산화칼슘, 산화갈륨, 산화주석.

Blocks of Elements

• 전자의 에너지 부준위를 채우는 순서 :

– 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s …

• 주기율표의 특이한 구역 모양이 에너지 부준위 순서에 기인한다 :

– Groups IA/1와 IIA/2는 s 부준위가 채워지고 s block 원소라고 불림.

– Groups IIIB/3에서 IIB/12는 d 부준위가 채워지고 d block 원소라고 불림.

Blocks and Sublevels

• 주기율표는 한 원소의 어떤 부준위가 채워지는 지를 예측하게 한다.

Noble Gas Core Electron Configurations

• 나트륨의 전자배치:

Na: 1s2 2s2 2p6 3s1

• 전자배치를 쓸 때 앞에 있는 영족 기체의 기호로 가장 내부의 전자를 나타내어 줄어 쓸 수 있다. 

• 나트륨 앞의 영족 기체는 네온이므로 네온의 기호를 괄호로 쓰고 가장 바깥쪽의 전자들을 이어 쓴다:

Na: [Ne] 3s1

Valence Electrons (원자가 전자)

• 어떤 원소가 화학 반응할 때 최외각 전자들만이 관여된다. 

• 이런 전자들은 에너지가 높으며 핵으로부터 떨어져 있다 : 이를 원자가 전자라 부른다. 

• 원자가 전자들의 수는 영족 기체 다음의 s 와 p  준위의 전자의 총수와 같다.

Predicting Valence Electrons

• 로마숫자 규약을 이용하면 족수가 원자가 전자수와 일치한다.

– Group IA elements: 1 valence electron

– Group VA elements : 5 valence electrons

• 족의 번호에 대해 IUPAC 명명법을 이용하면 끝자리 숫자는 원자가 숫자를 나타낸다.

– Group 14 elements : 4 valence electrons

– Group 2 elements : 2 valence electrons

전자배치와 원자가 전자 수

1. 다음 원소의 전자배치를 예상하라. 

(1) Li                              (2) F

(3) Mg                            (4) P

(5) Ca                             (6) Mn

(7) Ga                             (8) Rb

2. 다음 원소의 원자가 전자의 수를 나타내어라.

(1) H                                (2) B

(3) N                                (4) F

(5) Ca                              (6) Si

(7) O                                (8) Ar

Electron Dot Formulas (전자 점식)

• 원자가 전자들을 표시하기 위해 전자 점식 표기 고안.

전자 점식 그리기

다음 원소들의 전자 점식을 그려라.

(1) H                           (2) B

(3) N                           (4) F

(5) Ca                         (6) Si

(7) O                           (8) Ar

Ionization Energy (이온화 에너지)

• 이온화에너지는 기체상태에 있는 한 원자로부터 전자 하나를 제거하는 데 필요한 에너지의 양.

• 일반적으로 밑에서 위로 갈수록 이온화에너지가 증가한다.

• 일반적으로 왼쪽에서 오른쪽으로 갈 수록 이온화 에너지가 증가한다. 

• 전자가 핵에 가까울 수록 전자를 제거하기 위해 더 많은 에너지가 필요하다.

Ionization Energy Trend

• Figure 6.8 은 원소로부터하나의 전자를 제거하는 데 필요한 에너지를  나타냄

Ionic Charge (이온 전하)

• 금속은 전자를 잃는 경향을 비금속은 전자를 얻으려는 경향을 가진다.

• 이온의 전하는 원자가 전자들의 수와 관계가 있다.

• Group IA/1 금속은 원자가전자를 잃어 1+ 이온이 된다 :

– Na  →  Na+ + e-

• 금속은 이온이 되기 위해 원자가 전자를 잃는다.

Predicting Ionic Charge

• Group IA/1 금속은 1+ 이온을, group IIA/2 금속은 2+ 이온을, group IIIA/13 금속은 3+ 이온을, 그리고 group IVA/14 금속은 4+ 이온을 형성한다.

• 원자가전자를 잃으므로 영족 기체와 같은 전자배치를 가진다.

• 비슷하게, 비금속은 전자를 얻어 영족 기체와 같은 전자배치를 가진다.

• Group VA/15 원소는 -3 이온을, group VIA/16 원소는  -2 이온을, group VIIA/17 원소는 -1 이온을 형성하다.

Ion Electron Configurations

• 양이온의 전자 배치를 표시할 때, 양 전하에 해당하는 전자의 수를 제거한다:

    Na    →  Na+

1s2 2s2 2p6 3s1    →  1s2 2s2 2p6

• 음이온의 전자 배치를 표시할 때, 음 전하에 해당하는 전자의 수를 더해야 한다:

    O    →  O2-

  1s2 2s2 2p4    →  1s2 2s2 2p6

이온 에너지, 이온 전하

• 1. 보다 더 큰 이온화 에너지를 갖는 원소는?

• (1) Mg, Ca             (2) S, Se           (3) Sn, Pb

• (4) N, P                  (5) Rb, Cs         (6) He, Ar

• (7) B, Al                  (8) F, I               (9) Li, Na

• 2. 다음 원소의 이온 전하를 구하라.

• (1) Cs                  (2) Ga               (3) O

• (4) I                      (5) Al                (6) K

• 3. 각각의 전자배치를 핵심부 표기법으로 써라.

• (1) Mg2+              (2) K+                (3) Fe2+

• (4) F-                   (5) S-                (6) I-

Conclusions

• 주기율표의 원소들은 원자번호가 증가하는 순서로 배열한다. 

• 원소들은 화학적 물리적 성질이 주기적으로 반복된다.

• 주기율표는 다음과 같이 나누어진다. 

– 족 (groups or families): 세로 열

– 주기 (periods or series): 가로 열

Conclusions Continued

• 원자 반지름과 금속성 경향은 주기율표에서 밑에서 위로 갈수록 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 감소한다. 

• 채워지는 에너지 부준위에 따라 주기율표가 구역으로 나누어진다.

Conclusions Continued

• 원자가전자는 최외각 전자로 화학반응에 관여한다.

• 전자 점식으로 원자가전자를 표기한다. 

• 이온화에너지는 기체상태의 원소에서 전자 하나를 제거하는 데 필요한 에너지의 양이다.

Conclusions Continued

• 주기율표에서의 위치로부터 주족 원소의 이온 전하를 예상할 수 있다.