[일반화학] 01. 주기율표

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그림 1. 주기율표

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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

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여기서, 전자껍질은 원소를 구성하는 최외각전자(원자가전자: 원자 내의 전자 중 전자껍질의 가장 바깥 쪽에 존재하는 전자)가 존재하면서 만드는 일정한 에너지 궤도를 의미한다.

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그림 2. Electron shells can be numbered by principal quantum numbers.

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- 원자번호(atomic number): 화학 원소(element) 내의 원자핵 속에 들어있는 양성자의 수 혹은 원자핵의 전하수

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그림 3. 헬륨의 원자번호는 2번이고 그 의미는 헬륨 핵에 든 양성자(protons)의 수와 같다.

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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)

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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.

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그림 4. transition metal elements

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금속원소와 비금속 원소

- metal elements: 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬운 원소, 금속성 원소

- non-metal elements: 전자를 얻어 음이온이 되기 쉬운 원소, 비금속성 원소

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화학에서 금속성이란, 전자를 잃는 정도를 의미한다.

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그림 5. 금속과 비금속의 구분

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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.

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주기율표의 역사

멘델레예프의 주기율표(1869)

그림 6. 멘델레예프의 표

Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907)

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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

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멘델레예프는 화학적인 성질을 공유하는 원소를 세로줄에 배치함으로써, 당시에는 발견되지 않았던 갈륨(Ga)과 저마늄(Ge) 원소의 성질을 성공적으로 예측했다.

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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

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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.

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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.

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멘델레예프의 순서 불일치는 이후, 영국의 물리학자 헨리 모즐리(Henry G. J. Moseley, 1887-1915)에 의해 '원자번호순서 주기율표'로 해결된다.

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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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