그림 1. 주기율표
주기율표(periodic table): 110종 이상의 원소들을 원자 번호 순서에 따라 배열한 표
- 주기율표는 7주기(period), 18족(group)로 구성된다.
- 주기: 전자 껍질(electron shell)의 개수가 같은 원소들을 원자 번호의 순서에 따라 같은 행(row)에 오도록 배열한 것
- 족: 원자가전자의 개수가 같은 원소들을 원자 번호의 순서에 따라 같은 열(column)에 오도록 배열한 것
여기서, 전자껍질은 원소를 구성하는 최외각전자(원자가전자: 원자 내의 전자 중 전자껍질의 가장 바깥 쪽에 존재하는 전자)가 존재하면서 만드는 일정한 에너지 궤도를 의미한다.
그림 2. Electron shells can be numbered by principal quantum numbers.
- 원자번호(atomic number): 화학 원소(element) 내의 원자핵 속에 들어있는 양성자의 수 혹은 원자핵의 전하수
그림 3. 헬륨의 원자번호는 2번이고 그 의미는 헬륨 핵에 든 양성자(protons)의 수와 같다.
주기율표의 특징
1. 1족 원소: 알칼리 금속 (수소, 리튬, 소듐, 포타슘 등)
2. 2족 원소: 알칼리 토금속 (베릴륨, 마그네슘, 칼슘 등)
3. 16족 원소: 칼코겐 원소 (산소, 황 등)
4. 17족 원소: 할로겐 원소 (플루오르, 염소 등)
5. 18족 원소: 영족(기체) 원소 (헬륨, 네온, 아르곤 등)
전이원소(transition metal elements)와 전형원소(main-group elements)
- 전이원소는 d 오비탈과 f 오비탈에 전자가 부분적으로 채워진 원소로 3~12족 원소에 해당한다.
- 전형원소는 d 오비탈과 f 오비탈에 전자가 없거나 완전히 채워진 원소로 1, 2, 13~18족 원소에 해당한다.
그림 4. transition metal elements
금속원소와 비금속 원소
- metal elements: 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬운 원소, 금속성 원소
- non-metal elements: 전자를 얻어 음이온이 되기 쉬운 원소, 비금속성 원소
화학에서 금속성이란, 전자를 잃는 정도를 의미한다.
그림 5. 금속과 비금속의 구분
금속과 비금속의 분류
- 14족 원소를 기준으로 수소, 붕소를 제외한 왼쪽 원소들은 금속원소, 오른쪽은 비금속원소로 분류할 수 있다.
- 13족의 붕소(B)와 알루미늄(Al) 사이를 계단 모양으로 잘라 수소를 제외한 왼쪽은 금속, 오른쪽은 비금속으로 분류할 수 있다.
주기율표의 역사
멘델레예프의 주기율표(1869)
그림 6. 멘델레예프의 표
Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907)
러시아 제국 출신의 화학자 멘델레예프는 당시 알려진 원소(63종)들을 원자량 순서로 나열하되, 화학적인 성질이 비슷한 원소끼리는 같은 세로줄에 오도록 배치했다.
- 원자량(atomic weight): 원자 중 가장 가벼운 수소의 원자량을 1로 잡아 다른 원소의 상대적인 무게를 나타낸 값, 원자 수준에서 원자량은 양성자의 질량과 중성자의 질량의 합으로 (대략) 구할 수 있다. 계산 상, 양성자와 중성자의 질량을 모두 1로 잡는다.
- 멘델레예프의 표는 세계 최초로 원소의 특성을 정형화했다. ⇒ 원소들을 배열함에 있어 원자량의 순서보다 화학적인 성질을 나열하는 것이 더 중요함을 강조
멘델레예프는 화학적인 성질을 공유하는 원소를 세로줄에 배치함으로써, 당시에는 발견되지 않았던 갈륨(Ga)과 저마늄(Ge) 원소의 성질을 성공적으로 예측했다.
|
원소 |
예측값 |
실제값 |
|
Ga |
원자량: 68 밀도: 5.9g/mL |
원자량: 69.72 밀도: 5.91g/mL |
|
Ge |
원자량: 72 밀도: 5.5g/mL |
원자량: 72.61 밀도: 5.25g/mL |
문제점
1. 멘델레예프는 미지의 원소를 성공적으로 예측하기도 했으나, 18족 원소(비활성 기체)를 인지(기입)하지 못했기 때문에 모든 원소를 설명하기에는 불충분했다.
2. 뿐만 아니라, 원자량의 순서와 화학성질의 순서가 일치하지 않는 경우가 존재했다.
e.g. 아르곤(Ar)과 포타슘(K): 아르곤의 원자량은 39.9, 포타슘의 원자량은 39.1로 원자량만 고려했을 때는 포타슘 → 아르곤으로 순서가 작성될 수 있다. 그러나 화학적 성질을 고려한다면 둘은 아르곤 → 포타슘의 순서로 작성되어야 하고, 실제 주기율표에서도 아르곤은 18번, 포타슘은 19번으로 할당 받는다.
멘델레예프의 순서 불일치는 이후, 영국의 물리학자 헨리 모즐리(Henry G. J. Moseley, 1887-1915)에 의해 '원자번호순서 주기율표'로 해결된다.
Henry G. J. Moseley (1887-1915)
- 원소를 '원자번호(atomic number; 원자핵 속 양성자의 수)'에 따라 배열하면, 원자량의 순서와 화학적 성질 순서의 모순점을 해결할 수 있다.
- 원자번호에 따른 주기율표 작성을 통해, 17족 원소 중 6주기의 원소인 아스타틴(At)의 존재를 성공적으로 예측했다.
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