[일반화학] 12. 원자 반지름과 이온 반지름

그림 1. 원자 반지름(atomic radii)의 경향

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원자 반지름의 경향성은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 주기율표 상 오른쪽으로 갈수록 원자 반지름이 감소하는 경향을 보인다.

- 주기율표에서 오른쪽으로 갈수록 핵의 양전하량이 증가하기 때문에, 핵-전자 간 인력이 증가하고 이 인력에 의해 원자 반지름이 최종적으로 감소한다.

- 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 원자 반지름은 다른 족 원소들에 비해 매우 크다.

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2. 주기율표 상 위쪽으로 갈수록 원자 반지름이 감소하는 경향을 보인다.

- 주기율표에서 위쪽으로 갈수록 전자 껍질 수가 감소하고, 이에 핵-전자 간 거리가 줄어들어 핵-전자 간 인력이 결과적으로 커진다.

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3. 2주기의 원소인 Li은 14~18족의 2~5주기 원소들보다도 원자 반지름이 크다.

4. 6~10족 전이금속원소들은 같은 주기 내에서 원자 반지름이 서로 비슷하다.

- 핵의 양성자 수가 증가하면 기본적으로 양전하량의 증가로 인해 인력이 커져 원자 반지름이 감소해야 하지만, d오비탈 내의 전자쌍 수가 증가하여 전자 간 반발력 또한 무시할 수 없게 된다. 11족, 12족에서는 d오비탈의 전자쌍 수가 커져 오히려 반지름이 증가한다.

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5. 4~5주기의 13족 원소는 p오비탈에 전자가 채워지기 시작하면서 전자 부껍질의 증가효과에 따라 원자 반지름이 급격히 증가한 뒤, 14족부터 점진적으로 감소한다.

6. 같은 주기에서 원자번호가 증가할수록 유효핵전하가 증가하여 원자 반지름이 감소한다.

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유효핵전하(effective nuclear charge)

- Ze: effective nuclear charge

- Za: 실제 핵전하(원소의 양성자량)

- ES: 전자 가리움효과

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가리움 효과(screening effect): 전자 가리움효과, 다전자 원자에서 전자-전자 간 반발력이 원자핵과 전자 사이의 인력을 부분적으로 상쇄시키는 효과

- 가리움효과가 생기면 전자-원자핵 간 인력이 감소하는데, 이때 전자에게 작용하는 원자핵의 알짜 전하량을 effective nuclear charge라 한다.

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그림 2. 유효전하량의 경향성

- 같은 주기에서 원자번호가 커질수록 유효핵전하가 증가한다.(선형적으로 증가)

- 전자 껍질수가 증가하면서 유효핵전하는 감소한다.

- 같은 족에서 원자번호가 클수록 일반적으로 유효핵전하가 커진다.

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그림 3. 알칼리 금속의 이온반지름 변화

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이온반지름

1. 알칼리 금속은 전자를 한 개 잃고 양이온이 될 경우, 전자 껍질 수의 감소에 의해 원자의 반지름이 평균 1/2수준으로 감소한다.

2. 알칼리 토금속은 전자를 두 개 잃고 양이온이 될 경우, 전자 껍질 수의 감소에 의해 원자의 반지름이 평균 1/2수준으로 감소한다.

3. 산소족 원소는 전자를 두 개 얻어 음이온이 될 경우, 전자 간 반발력의 증가로 인해 원자 반지름이 평균 2배 증가한다.

4. 할로젠 원소는 전자를 한 개 얻어 음이온이 될 경우, 전자 간 반발력의 증가로 인해 원자 반지름이 평균 2배 증가한다.

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그림 4. Size of Atoms and Their Ions

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등전자이온(isoelectronic ion)

- 정의: 이온상태로 있을 때 같은 수의 전자를 가지고 있어, 같은 전자껍질을 갖는 전자배치가 같은 이온

- 전자의 수가 같기 때문에, 원자핵의 전하량이 클수록 핵이 전자를 강하게 끌어당겨 이온의 크기가 줄어든다.

- 등전자이온 조건에서 원자번호가 클수록 원자핵의 양성자 수가 많으므로, 이온의 반지름은 감소하게 된다.

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