13. 원소들의 주기성 (이온화 에너지, 순차 이온화 에너지)

🧪 원소들의 주기성 (이온화 에너지, 순차 이온화 에너지)

1. 이온화 에너지 (Ionization Energy, IE)

• 정의: 기체 상태의 중성 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어내어 +1가 양이온으로 만드는 데 필요한 최소한의 에너지이다.
  • 원자(g) + E₁ → 양이온⁺(g) + e⁻
  • 쉽게 말해, 원자핵과 전자의 인력을 끊고 전자를 밖으로 떼어내는 데 드는 에너지이다.
  • 단위: kJ/mol (1몰의 원자에서 1몰의 전자를 떼는 데 필요한 킬로줄 에너지)

이온화 에너지에 영향을 미치는 요인

• 1. 유효 핵전하:
  • 유효 핵전하가 클수록 원자핵이 전자를 강하게 끌어당긴다.
  • 인력이 강할수록 전자를 떼어내기 어려우므로 이온화 에너지는 커진다.
• 2. 원자 반지름 (핵과 전자 사이 거리):
  • 같은 족에서 아래로 갈수록 전자 껍질 수가 많아져 원자 반지름이 커진다.
  • 핵과 전자 사이의 거리가 멀어지면 인력이 약해지므로 이온화 에너지는 작아진다.
• 3. 전자 배치 (오비탈의 안정성):
  • 전자가 불안정한 상태(에너지가 높은 상태)에 있거나, 전자를 떼어냈을 때 안정한 상태(예: 옥텟 만족)가 된다면, 전자를 떼기 쉬워져 이온화 에너지는 작아진다.
  • 반대로, 이미 안정한 전자 배치(예: 옥텟 만족, full-filled, half-filled)를 가진 원자에서 전자를 떼어내기는 매우 어려우므로 이온화 에너지가 매우 커진다.

제1 이온화 에너지(E₁)의 주기성

• 같은 주기 (가로줄):
  • 오른쪽으로 갈수록 대체로 증가한다.
  • 이유: 전자 껍질 수는 같지만, 원자 번호가 증가함에 따라 유효 핵전하가 증가하여 인력이 강해지기 때문이다.
• 같은 족 (세로줄):
  • 아래로 갈수록 감소한다.
  • 이유: 유효 핵전하는 증가하지만, 전자 껍질 수가 증가하는 효과가 더 크다. 핵과 전자 사이의 거리가 멀어져 인력이 약해지기 때문이다.
• 주기성 암기 (경향성):
  • 그래프는 "위-아래-위-위-아래-위-위-아래" (업-다운-업-업-다운-업-업-다운) 패턴을 반복하며 전체적으로 우상향한다.
  • 1족(Li) → 2족(Be) (증가)
  • 2족(Be) → 13족(B) (감소)
  • 13족(B) → 14족(C) → 15족(N) (연속 증가)
  • 15족(N) → 16족(O) (감소)
  • 16족(O) → 17족(F) → 18족(Ne) (연속 증가)
  • 18족(Ne) → 다음 주기 1족(Na) (대폭 감소)

같은 주기에서의 예외 (중요)

• 2족(Be) > 13족(B) 에서 IE가 감소하는 이유:
  • 2족 (예: Be, [He] 2s²)은 s 오비탈이 꽉 찬(full-filled) 안정한 배치이다.
  • 13족 (예: B, [He] 2s² 2p¹)은 2s보다 에너지가 높은 p 오비탈에 불안정한 전자가 1개 있다.
  • 안정한 s오비탈 전자를 떼는 것보다 불안정한 p오비탈 전자를 떼는 것이 더 쉽기 때문에 13족의 이온화 에너지가 더 낮다.

• 15족(N) > 16족(O) 에서 IE가 감소하는 이유:
  • 15족 (예: N, [He] 2s² 2p³)은 p 오비탈에 전자가 3개 반쯤 채워진(half-filled) 안정한 배치이다. ([↑][↑][↑])
  • 16족 (예: O, [He] 2s² 2p⁴)은 p 오비탈에 전자 4개가 있어, 한 오비탈에 전자 2개가 쌍(↑↓)을 이루고 있다. ([↑↓][↑][↑])
  • 이때 쌍을 이룬 전자 사이의 반발력 때문에, 이 중 하나를 떼어내는 것이 15족의 안정한 전자 배치에서 떼어내는 것보다 상대적으로 쉽다.
  • 따라서 16족의 이온화 에너지가 더 낮다.

• 원소별 E₁ 크기:
  • 1~20번 원소 중 제1 이온화 에너지가 가장 큰 원소는 헬륨(He)이다.
  • 1~20번 원소 중 제1 이온화 에너지가 가장 작은 원소는 칼륨(K)이다.

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2. 순차적 이온화 에너지 (Sequential IE)

• 정의: 기체 상태 원자에서 전자를 1개씩 차례대로 떼어낼 때 각 단계마다 필요한 에너지.
  • E₁ (제1 이온화 에너지): 원자(M) → M⁺ + e⁻
  • E₂ (제2 이온화 에너지): M⁺ → M²⁺ + e⁻ (주의: 전자 2개를 한 번에 떼는 에너지가 아님)
  • E₃ (제3 이온화 에너지): M²⁺ → M³⁺ + e⁻

일반적 경향:

• E₁ < E₂ < E₃ < ...
• 차수가 거듭될수록(전자를 계속 떼어낼수록) 이온화 에너지는 항상 증가한다.
• 이유: 전자를 잃을수록 전자 수가 줄어들어 가리움 효과가 감소하고, 유효 핵전하가 증가(또는 양전하가 강해짐)하여 남은 전자들을 더 강하게 끌어당기기 때문이다.

원자가 전자 수의 파악 (핵심):

• 순차적 이온화 에너지는 차례대로 증가하지만, 원자가 전자를 모두 떼어낸 후 안쪽 껍질의 전자를 떼어낼 때, 에너지 값이 급격하게(보통 4~5배 이상) 증가하는 구간이 나타난다.
  • 이유: 안쪽 껍질의 전자는 옥텟 규칙을 만족하여 매우 안정한 상태이며, 핵에 훨씬 더 가깝고 강하게 결합되어 있기 때문에 떼어내기 매우 어렵다.
  • 예시:
  • A 원소: E₁=500, E₂=4500, E₃=6000 ...
    • E₁과 E₂ 사이에서 급격히 증가했다.
    • 이는 첫 번째 전자(원자가 전자)를 떼긴 쉬웠으나, 두 번째 전자(안쪽 껍질 전자)를 떼기 매우 어려워졌다는 뜻이다.
    • 따라서 원자가 전자 수는 1개이며, 1족 원소이다.
  • B 원소: E₁=700, E₂=1400, E₃=7700 ...
    • E₂와 E₃ 사이에서 급격히 증가했다.
    • 이는 2개의 원자가 전자를 떼어낸 후, 세 번째 안쪽 껍질 전자를 떼기 어려워졌다는 뜻이다.
    • 따라서 원자가 전자 수는 2개이며, 2족 원소이다.
  • C 원소: E₁=600, E₂=1200, E₃=1900, E₄=9000 ...
    • E₃와 E₄ 사이에서 급격히 증가했다.
    • 원자가 전자 수는 3개이며, 13족 원소이다.

제2, 제3 이온화 에너지의 주기성:

• 제2 이온화 에너지(E₂)의 주기성:
  • 모든 원소의 전자 배치가 1칸씩 왼쪽으로 당겨진 것과 같다.
  • 예: 나트륨(Na)의 E₂는 네온(Ne)의 E₁과 비슷한 전자 배치(안정한 옥텟)에서 전자를 떼는 것이므로 매우 크다.
  • 리튬(Li)의 E₂는 헬륨(He)의 E₁처럼 매우 크다.
  • E₂의 그래프는 E₁의 그래프를 전체적으로 왼쪽으로 1칸 이동시킨 패턴을 보인다.
• 제3 이온화 에너지(E₃)의 주기성:
  • E₁의 그래프를 왼쪽으로 2칸 이동시킨 패턴을 보인다.