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[화학1] 원소의 주기적 성질 (2) 이온화 에너지와 전자 친화도

by onsaem9134 2017. 6. 25.

[화학1] 원소의 주기적 성질 (2) 이온화 에너지와 전자 친화도


- 이온화 에너지란

 이온화 에너지(Ionization Energy, IE)는 (1) 기체 상태의 (2) 중성 원자 (3) 1몰로부터 전자 1몰을 떼어내어 +1의 양이온을 만드는 데에 필요한 에너지의 양이다. 전자를 떼어내는 데에는 원자핵의 인력을 이겨낼 힘이 필요하므로 에너지를 가해줘야 한다.


- 전자 친화도란

 전자 친화도(Electron Affinity, EA)는 (1) 기체 상태의 (2) 중성 원자 (3) 1몰에 전자 1몰을 추가해 -1의 음이온을 만들 때 방출되는 에너지의 양이다. 일부 경우를 제외하면 전자를 받은 원자는 안정해지기 때문에 에너지를 외부로 방출하게 된다. 

 전자 친화도의 절대적인 크기는 (1), (3) 조건을 만족하는 -1의 음이온에 전자를 1몰만큼 떼어내어 중성 상태로 만드는 데 필요한 에너지의 크기와 같다. 이는 후술할 순차적 이온화 에너지를 통해 알아낼 수 있다.


 이온화 에너지와 전자 친화도는 별개의 개념이 아니며, 서로 연관이 강하다.


- 이온화 에너지의 주기성

 이온화 에너지를 결정하는 요인은 원자 반지름과 마찬가지로 유효 핵전하와 전자 껍질 수이다. 같은 족과 주기 내에서 가지는 이온화 에너지의 주기성은 아래와 같다.


 1) 같은 족 내에서의 주기성

같은 족 내에서는 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수가 증가한다. 따라서 원자핵과 전자 사이의 인력은 감소하고 이온화 에너지는 감소한다. 


 2) 같은 주기 내에서의 주기성

같은 주기 내에서는 원자 번호가 증가할수록 유효 핵전하는 증가하고 전자 껍질 수는 변화하지 않는다. 따라서 외각의 전자를 떼어내기 어려워지고 이온화 에너지는 증가한다.



- 이온화 에너지의 예외적 경향


 위에서 말했듯 이온화 에너지가 같은 족에서는 원자번호가 클수록 작아지고 같은 주기에서는 원자번호가 클수록 커지는 것을 볼 수 있다. 하지만 Be-B, N-O 구간과 같이 2주기에서 13주기, 15주기에서 16주기로 넘어갈 때는 이온화 에너지가 오히려 원자번호가 더 큼에도 불구하고 작아지는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 아래와 같다.


 1) Be-B

 베릴륨은 이미 전자 4개가 2s 오비탈까지 하여 모두 다 채워진 상태이다. 반면에 붕소는 2p 오비탈에 전자가 하나 더 추가적으로 채워진 상태이다. 전자를 떼어낸다 하였을 때 전자가 완전히 찬 2s 오비탈에서 떼어내는 것보다는 2p 오비탈의 홀전자 하나를 떼어내는 것이 더 쉽다. 따라서 붕소보다 베릴륨의 이온화 에너지가 커지게 된다. 이는 다른 주기의 2족-13족 사이에서도 대체적으로 성립한다.


 2) N-O

 질소는 2p 오비탈에 전자 3개가 들어감으로서 스핀 다중도가 최대인 안정한 배치를 갖는다. 반면에 산소는 2p 오비탈에 전자 4개가 들어감으로서 짝지은 전자가 발생하여 오히려 스핀 다중도가 감소하였다. 스핀 다중도가 클수록 안정하기 때문에 산소의 전자를 떼어내는 것이 질소의 전자를 떼어내는 것보다 더 쉽다. 따라서 질소보다 산소의 이온화 에너지가 커지게 된다. 이는 다른 주기의 15족-16족 사이에서도 대체적으로 성립한다.


- 순차적 이온화 에너지

 순차적 이온화 에너지는 기체 원자에서 전자를 차례대로 떼어낼 때, 각 단계에서 가지는 이온화 에너지의 크기이다.

 전자를 계속해서 떼어낼 수록 원자핵의 전하는 그대로지만 전자들 간의 반발은 줄어들어 유효 핵전하는 커진다. 따라서 이온화 에너지는 반드시 이전의 경우보다 큰 값을 가진다. 하지만 유독 이온화 에너지가 크게 증가하는 경우가 반드시 존재한다. 이는 전자 껍질 수에 변화가 발생하였다는 것을 의미하고, 이를 이용하여 그 원소의 원자가 전자 수를 알아낼 수 있다. (원자가 전자는 반응에 참여할 수 있는 전자의 수로, 최외각 전자 수와 관련이 있다.)

 위 그래프에서 나트륨은 E2, 즉 2차 이온화 에너지가 1차 이온화 에너지에 비해 큰 폭으로 증가했으므로 2번째로 전자를 떼어내면서 전자 껍질의 변화가 있었다는 뜻이 된다. 따라서 나트륨의 원자가 전자 수는 1개라는 것을 알 수 있다.


 어떠한 음이온으로부터 전자를 하나 떼어낼 때 필요한 이온화 에너지를 E0, 즉 0차 이온화 에너지라고 하자. 그러면 이를 아래와 같이 나타낼 수 있다.

 이온화 에너지는 반드시 그 전의 것보다 크기가 크므로 1차 이온화 에너지 E1은 E0보다 항상 크게 된다. 이때 E0의 크기는 위에서 말했듯 그 원소의 전자 친화도와 크기가 같다. 따라서 여기서 전자 친화도는 원소의 종류에 관계 없이 이온화 에너지보다 크기가 작다는 것을 알 수 있다. 


- 전자 친화도의 주기성

전자 친화도는 쉽게 얘기해 전자를 추가해줬을 때 얼마나 안정해지는 지에 대한 척도이다. 전자를 받아들였을 때 얼마나 안정해지냐는 유효 핵전하가 결정한다. 유효 핵전하가 커질수록 전자를 받아들였을 때 많이 안정시켜줄 수 있으므로 전자 친화도가 커진다.


 1) 같은 족 내에서의 주기성

 같은 족에서는 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수가 증가하고 이에 따라 핵과 전자 사이의 인력은 작아진다. 따라서 전자 친화도는 감소한다.


 2) 같은 주기 내에서의 주기성

 같은 주기에서는 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수에는 변화가 없고 유효 핵전하는 증가한다. 따라서 전자 친화도는 증가한다.


또한, 가장 모든 원소 중에서 가장 큰 전자 친화도의 값도 가장 작은 이온화 에너지보다 작기 때문에 모든 경우에 전자 친화도는 이온화 에너지보다 작다.


- 전자 친화도의 예외적 경향

전자 친화도는 아래와 같은 예외적 경향을 보인다.


 1) 2족 금속은 안정한 음이온이 존재하지 않는다.

 2족 원소들의 경우는 유입된 원자가 불안정한 2p 오비탈에 배치된다. 따라서 전자가 유입되지 않았을 때에 비해 안정하지 않다.


 2) 15족은 16족보다 전자 친화도가 작다.

 15족 원소는 전자를 받아들였을 때 그렇지 않을 때보다 스핀 다중도가 감소하면서 불안정해진다. 따라서 16족 원소에 비해 전자 친화도가 작아진다.


 3) 15~17족 2, 3주기 원소에는 전자 친화도가 역전된다.

 원래는 2주기 원소가 3주기 원소에 비해 큰 전자 친화도를 가져야 한다. 하지만 15~17족의 경우는 비정상적으로 작은 원자 크기 때문에 전자를 추가했을 때 안정화되지 않는다. 따라서 같은 족의 3주기 원소와 전자 친화도가 역전된다. 그래서 가장 큰 값의 전자 친화도를 가지는 것은 플루오르가 아니라 염소가 된다.