주기성: 원자 반지름, 전기 음성도, 이온화 에너지는 어떻게 변할까요?

모든 경향 뒤에 있는 두 가지 생각

거의 모든 경향은 두 가지 효과에서 나옵니다. 첫째는 핵전하입니다. 한 주기를 가로지르면 원소마다 양성자가 하나씩 늘어나므로 원자핵이 전자를 더 세게 끌어당깁니다. 같은 껍질에 추가되는 전자는 서로를 거의 가려 주지 못하므로, 바깥쪽 전자는 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 더 강한 끌어당김을 느끼며 이를 유효 핵전하라고 합니다.

둘째는 껍질의 수입니다. 한 족을 내려가면 원소마다 전자가 들어 있는 껍질이 하나씩 늘어나므로, 바깥쪽 전자는 원자핵에서 더 멀리 있고 더 많은 안쪽 전자에 가려집니다. 원자핵의 양성자가 더 많은데도 전자는 덜 단단히 붙들려 있습니다.

원자 반지름

원자 반지름은 원자의 크기를 나타냅니다. 한 주기를 가로지르면 대체로 줄어드는데, 더 강한 끌어당김이 전자 구름을 안쪽으로 끌어당기기 때문입니다. 한 족을 내려가면 커지는데, 새 껍질이 더 바깥에 있기 때문입니다. 양이온은 원래의 원자보다 작고, 음이온은 더 큽니다.

알칼리 금속은 이 사이트의 데이터에서 족에 따른 경향을 분명하게 보여 줍니다. 리튬 182 pm, 나트륨 227 pm, 칼륨 275 pm, 루비듐 303 pm, 세슘 343 pm입니다. 반지름 값은 측정 방법(공유 반지름, 금속 반지름, 반데르발스 반지름)에 따라 달라지므로 표마다 수치가 다르며, 한 주기에 걸친 경향도 완벽하게 매끄럽다기보다 전반적인 규칙입니다.

전기 음성도

전기 음성도는 원자가 화학 결합에서 공유 전자를 얼마나 세게 끌어당기는지를 나타냅니다. 폴링 척도에서 한 주기를 가로지르면 커지고 한 족을 내려가면 작아집니다.

2주기에서는 리튬(0.98)에서 탄소(2.55), 산소(3.44)를 거쳐 전기 음성도가 가장 큰 원소인 플루오린(3.98)까지 올라갑니다. 17족을 내려가면 플루오린에서 염소(3.16), 브로민(2.96), 아이오딘(2.66)으로 작아집니다. 가장 낮은 값은 세슘의 0.79처럼 왼쪽 아래에 있습니다. 헬륨, 네온, 아르곤은 안정한 화합물을 만들지 않으므로 값이 없습니다.

전기 음성도의 차이로 결합의 종류를 예측할 수 있습니다. 나트륨(0.93)과 염소(3.16)처럼 차이가 크면 이온 결합이 되고, 차이가 작으면 공유 결합이 됩니다.

이온화 에너지

이온화 에너지는 기체 상태의 원자에서 가장 바깥쪽 전자를 떼어 내는 데 필요한 에너지입니다. 전자가 더 단단히 붙들려 있으므로 한 주기를 가로지르면 커지고, 바깥쪽 전자가 원자핵에서 더 멀어지므로 한 족을 내려가면 작아집니다.

3주기에서는 나트륨의 5.139 eV에서 아르곤의 15.76 eV까지 커지고, 1족을 내려가면 리튬의 5.392 eV에서 세슘의 3.894 eV까지 작아집니다. 헬륨은 모든 원소 중 첫 번째 이온화 에너지가 가장 높아 24.587 eV입니다. 중간에 작은 굴곡이 있습니다. 붕소는 바깥쪽 전자가 에너지가 더 높은 2p 부껍질에 있어서 베릴륨보다 낮고, 산소는 네 번째 2p 전자가 오비탈을 함께 쓰며 반발이 생겨 떼어 내기 쉬워지므로 질소보다 낮습니다.

금속성과 반응성

금속성은 원자가 전자를 얼마나 쉽게 잃는지를 나타냅니다. 이온화 에너지와 반대 경향을 따라 한 주기를 가로지르면 줄어들고 한 족을 내려가면 커집니다. 그래서 세슘과 프랑슘처럼 금속성이 가장 큰 원소는 왼쪽 아래에 있고, 플루오린과 산소처럼 비금속성이 가장 큰 원소는 오른쪽 위에 있습니다.

반응성은 이 경향들에서 비롯되지만 족에 따라 달라집니다. 알칼리 금속은 하나뿐인 원자가 전자를 잃기 더 쉬워서 족을 내려갈수록 반응성이 커집니다. 리튬은 물과 차분하게 반응하지만 칼륨은 격렬하게 반응합니다. 할로젠은 원자가 클수록 전자를 하나 더 끌어당기는 힘이 약해서 족을 내려갈수록 반응성이 작아지므로, 플루오린이 가장 반응성이 큰 할로젠입니다.