[화학1] 원소의 주기적 성질 (1) 원자 반지름

[화학1] 원소의 주기적 성질 (1) 원자 반지름

- 원자반지름이란?

 원자 반지름(Atomic Radius)은 이름 그대로 원자가 가지는 반지름의 길이를 뜻한다. 전자의 운동과 위치는 파동함수인 오비탈을 이용하여 표현할 수 있다. 하지만 이에 의하면 전자가 존재할 수 있는 범위는 핵과 가까워질수록 높고 멀어질수록 낮아지지만 0이 되지는 않는다. 따라서 정확한 원자의 반지름은 측정할 수 없다.

 그래서 원자 반지름은 원자가 분자를 형성했거나 고체와 같이 모여있을 때만 간접적으로 얻어낼 수 있다.

 1) 공유 결합 반지름 (Covalent Bond Radius)

 공유 결합 반지름은 공유 결합을 이룬 두 원자들의 핵간 거리의 절반으로 결정된다. 따라서 실제 원자 반지름보다 작은 값을 가지게 된다.

 2) 반데르발스 반지름 (Van Der Waals Radius)

 반데르발스 반지름은 원소가 낮은 온도에서 고체 결정을 이루어 가장 가깝게 접근했을 때의 핵간 거리를 측정하여 결정된다. 따라서 실제 원자 반지름보다 큰 값을 가지게 된다.

- 핵간 거리 측정 방법

 핵간 거리는 브래그 법칙(Braggs' Law)에 의해 측정할 수 있다. 브래그 법칙은 빛의 반사와 회절에 대한 물리 법칙으로, 공식은 아래와 같다.

n은 정수, λ는 빛의 파장, θ은 입사각, d는 주기 구조의 폭이다. 

- 원자 반지름의 주기성

원자 반지름에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.

 1) 유효 핵전하

 수소를 제외한 다전자 원자에서는 전자들끼리의 반발 때문에 전자가 실제로 받는 핵전하는 원자핵의 전하보다 작아지게 된다. 이때 실제로 전자가 받는 유효한 핵전하를 유효 핵전하라고 부른다. 유효 핵전하가 커지면 그만큼 전자가 분포할 수 있는 범위가 줄어들게 되므로 원자 반지름은 작아진다.

 2) 전자 껍질수

 전자 껍질은 전자가 돌면서 형성하는 일종의 궤도를 뜻한다. 전자 껍질이 많아질 수록 먼 범위에도 전자가 존재한다는 뜻이므로 원자 반지름은 커진다.

- 같은 족과 주기 내에서의 주기성

 1) 같은 족

 같은 족에서는 원자 번호가 커질수록 전자 껍질 수가 늘어나므로 원자 반지름은 커진다.

 

 2) 같은 주기

 같은 주기에서는 원자 번호가 커질수록 전자 껍질 수는 변하지 않으나 유효 핵전하가 증가하므로 원자 반지름은 작아진다.

따라서 주기율표에서 왼쪽 아래로 갈수록 원자 반지름은 커지고, 오른쪽 위로 갈수록 원자 반지름은 작아진다는 것을 알 수 있다. 

- 이온 반지름의 주기성

이온은 양이온과 음이온 두가지로 나뉜다. 양이온은 전자를 잃어서 안정해진 이온으로, 양전하를 띤다. 반면에 음이온은 전자를 얻어서 안정해진 이온으로, 음전하를 띤다.

 1) 양이온의 경우

양이온은 최외각의 전자를 잃으면서 잔자 껍질 수가 감소하기 때문에 이온 반지름은 원자 반지름에 비해 작아진다.

 

 2) 음이온의 경우

음이온은 전자를 얻으면서 전자간의 반발이 커지기 때문에 유효 핵전하가 감소한다. 따라서 이온 반지름은 원자 반지름에 비해 커진다.

- 등전자 이온 (Isoelectronic ion)

등전자 이온은 원자핵의 전하의 종류나 크기에 관계 없이 같은 수의 전자를 가지는 이온들을 말한다. 예를 들면 산소와 플루오르 음이온과 나트륨과 마그네슘 양이온을 들 수 있다.

 전자의 수가 같으면 전자 껍질수는 같다는 뜻이다. 하지만 이온의 종류에 따라 원자핵의 전하의 크기가 다르다. 원자핵의 전하가 커질수록 유효핵전하는 커지므로 원자 번호가 커질수록 이온 반지름은 작아진다. 

 18족 원소들이 자체적으로 안정하여 공유 결합을 형성하지 않는다. 이는 공유 결합 반지름을 측정하는 방식을 이용할 수 없다는 뜻이기도 하다. 따라서 18족 원소들은 다른 원소들과 동등선 상에서 비교하는 것이 어려우며, 그렇기 때문에 등전자 이온들의 크기를 비교할 때 18족 원소들은 제외되는 경우가 많다.