11. 주기율표 (주기율표 제작 과정, 금속/준금속/비금속, 동족원소)

🧪 주기율표 (주기율표 제작 과정, 금속/준금속/비금속, 동족원소)

1. 주기율표의 역사

• 되베라이너: 세 쌍 원소설
  • 원소들을 원자량 순서대로 나열했을 때, 화학적 성질이 비슷한 3개의 원소가 쌍을 이룬다는 것을 발견했다. (예: 리튬, 나트륨, 칼륨)
  • 이 세 쌍 원소에서, 중간 원소(나트륨)의 원자량이 나머지 두 원소(리튬, 칼륨)의 원자량의 산술 평균값과 비슷했다.
  • 이는 원소들의 성질에 일정한 규칙성(주기율)이 있음을 처음 제시한 것이다.
• 뉴랜즈: 옥타브설
  • 원소들을 원자량 순으로 나열할 때, 8번째마다 화학적 성질이 비슷한 원소가 나타나는 것을 발견했다.
  • 이를 음악의 옥타브(8음계)에 비유하여 '옥타브설'이라고 불렀다.
  • 당시에는 모든 원소에 잘 적용되지는 않아 크게 인정받지 못했다.
• 멘델레예프: 최초의 주기율표
  • 멘델레예프는 당시 발견된 원소들을 원자량 순서대로 나열하여 최초의 주기율표를 만들었다.
  • 핵심: 그는 성질이 비슷한 원소가 세로줄에 오도록 배열했고, 이 과정에서 아직 발견되지 않은 원소의 자리를 비워두었다.
  • 그는 비워둔 자리(예: 에카규소)에 들어올 원소의 물리적, 화학적 성질을 예측했으며, 나중에 저마늄(게르마늄)이 발견되면서 그의 예측이 거의 정확했음이 증명되었다.
  • 한계: 원자량 순서대로 배열할 때 일부 원소(예: 아르곤/칼륨, 텔루륨/아이오딘)의 순서가 화학적 성질과 맞지 않는 예외가 발생했다. 멘델레예프는 성질을 우선하여 이 순서를 임의로 바꾸었다.
• 모즐리: 현대 주기율표의 확립
  • 모즐리는 X선 연구를 통해 각 원소의 양성자 수(원자 번호)를 밝혀냈다.
  • 그는 원소의 주기적 성질이 원자량이 아닌 원자 번호에 의해 결정된다는 것을 증명했다.
  • 원소들을 원자 번호 순서대로 배열하자, 멘델레예프 주기율표의 모든 예외(아르곤/칼륨 문제 등)가 해결되었다.
  • 이것이 현재 우리가 사용하는 현대 주기율표의 토대가 되었다.

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2. 현대의 주기율표

• 정의: 원소들을 원자 번호(양성자 수)가 증가하는 순서대로 배열하고, 화학적 성질이 비슷한 원소들이 같은 세로줄에 오도록 한 표이다.

• 주기 (Period): 가로줄
  • 1주기부터 7주기까지 있다.
  • '주기' 번호는 해당 원소의 전자 껍질 수를 의미한다.
    • 예: 3주기 원소(나트륨, 마그네슘, 염소 등)는 모두 3개의 전자 껍질을 가진다.
• 족 (Group): 세로줄
  • 1족부터 18족까지 있다.
  • '족'은 원자가 전자 수와 관련이 깊으며, 화학적 성질을 결정하는 가장 중요한 요인이다.
  • 같은 족에 속하는 원소들(동족 원소)은 원자가 전자 수가 같아(18족 제외) 화학적 성질이 비슷하다.

• 전형 원소와 전이 원소
  • 전형 원소 (주족 원소): 1족, 2족, 그리고 13~18족 원소. 주기율의 성질이 뚜렷하게 나타난다.
  • 전이 원소 (d-블록): 3족부터 12족 원소. 모두 금속 원소이다.

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3. 원소의 분류

• 주기율표는 금속, 비금속, 준금속으로 크게 나눌 수 있다.
• 금속 원소 (Metallic Elements)
  • 주기율표의 왼쪽과 가운데 대부분을 차지한다.
  • 특징:
    • 실온에서 대부분 고체이다. (예외: 수은(Hg)은 액체)
    • 특유의 광택이 있다.
    • 열과 전기 전도성이 매우 크다.
    • 전자를 잃고 양이온(+)이 되기 쉽다.
    • 힘을 가하면 부서지지 않고 펴지거나(펴짐성), 가늘게 뽑힌다(뽑힘성).
• 비금속 원소 (Nonmetallic Elements)
  • 주기율표의 오른쪽에 위치한다. (예외: 수소(H)는 1족이지만 비금속)
  • 특징:
    • 실온에서 기체, 액체(브로민 Br₂), 고체 등 다양한 상태로 존재한다.
    • 광택이 없다.
    • 열과 전기 전도성이 낮다. (예외: 흑연(C)은 전기 전도성 있음)
    • 전자를 얻어 음이온(-)이 되기 쉽다. (18족 비활성 기체 제외)
• 준금속 원소 (Metalloids)
  • 금속과 비금속의 경계(계단식 선)에 위치한다.
  • 붕소(B), 규소(Si), 저마늄(Ge), 비소(As) 등이 해당한다.
  • 금속과 비금속의 중간 성질을 가지며, 특정 조건에서만 전기가 통하는 반도체의 재료로 많이 쓰인다.

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4. 주요 동족 원소의 성질

1족: 알칼리 금속 (Alkali Metals) (수소(H)는 제외)

• 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등
• 원자가 전자: 1개 (ns¹)
• 특징:
  • 전자를 1개 잃고 +1가 양이온이 되기 매우 쉽다.
  • 반응성이 매우 크다. (주기가 커질수록, 즉 아래로 갈수록 반응성 증가: K > Na > Li)
  • 무르고(칼로 잘림), 밀도가 작다. (리튬, 나트륨, 칼륨은 물보다 밀도가 작아 물에 뜬다.)
  • 공기 중의 산소와 빠르게 반응하여 광택을 잃는다.
  • 물과 격렬하게 반응하여 수소(H₂) 기체를 발생시키고, 수용액은 염기성이 된다.
  • 보관: 반응성이 너무 커서 석유나 벤젠, 파라핀 액체 속에 보관한다.

산소와의 반응

물과의 반응

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17족: 할로겐 원소 (Halogen Elements)

• 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I) 등
• 원자가 전자: 7개 (ns²np⁵)
• 특징:
  • 전자를 1개 얻어 -1가 음이온이 되기 매우 쉽다.
  • 비금속 원소 중에서 반응성이 매우 크다. (주기가 작을수록, 즉 위로 갈수록 반응성 증가: F > Cl > Br > I)
  • 2원자 분자 (F₂, Cl₂, Br₂) 상태로 존재하며, 특유의 색깔을 띤다.
  • 실온 상태: 플루오린(담황색 기체), 염소(황록색 기체), 브로민(적갈색 액체), 아이오딘(보라색 고체)
  • 수소(H)와 반응하여 할로겐화 수소(HF, HCl 등)를 만들며, 이는 물에 녹아 산성을 띤다.
  • 알칼리 금속(1족)과 격렬하게 반응하여 염(Salt, 예: NaCl)을 만든다.

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18족: 비활성 기체 (Noble Gases)

• 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등
• 원자가 전자: 0개
  • (최외각 전자 수는 헬륨 2개, 나머지는 8개로 옥텟 규칙을 만족하여 매우 안정하다. 화학 결합에 참여하는 전자가 0개라는 의미.)
• 특징:
  • 매우 안정하여 다른 원소와 거의 반응하지 않는다.
  • 1원자 분자 상태로 존재한다.
  • 공기 중에 매우 적은 양이 존재하며, 색깔과 냄새가 없는 기체이다.

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5. 전자 배치와 주기율표

• 원소의 주기율적 성질은 바닥상태 전자 배치에 의해 결정된다.
• 원자가 전자 (Valence Electrons):
  • 가장 바깥 전자 껍질에 들어있는 전자를 말한다. (d-블록 전이 원소는 정의가 조금 다름)
  • 원소의 화학적 성질을 결정한다.
  • 같은 족 원소는 원자가 전자 수가 같아(18족 제외) 화학적 성질이 비슷하다.
    • 1족: 1개 (ns¹)
    • 2족: 2개 (ns²)
    • 13족: 3개 (ns²np¹)
    • 14족: 4개 (ns²np²)
    • 15족: 5개 (ns²np³)
    • 16족: 6개 (ns²np⁴)
    • 17족: 7개 (ns²np⁵)
    • 18족: 8개 (ns²np⁶) 또는 2개 (헬륨, 1s²) - (안정하여 원자가 전자를 0개로 보기도 함)
• 주기율표에서 위치 찾기:
  • 주기: 전자 배치에서 가장 큰 주양자수(n)가 그 원소의 주기이다.
    • 예: 질소(N) -> 1s² 2s² 2p³ -> 가장 큰 n=2 -> 2주기
    • 예: 칼륨(K) -> 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ -> 가장 큰 n=4 -> 4주기
  • 족: 원자가 전자 수가 그 원소의 족을 결정한다. (전형 원소 기준)
    • 원자가 전자 1개 -> 1족
    • 원자가 전자 2개 -> 2족
    • 원자가 전자 3개 -> 13족
    • 원자가 전자 7개 -> 17족
    • 원자가 전자 8개 (또는 2개) -> 18족
    • 예: 질소(N) -> 원자가 전자 2+3 = 5개 -> 15족
    • 예: 칼륨(K) -> 원자가 전자 1개 -> 1족