원자가 전자란 무엇이며 어떻게 구할까요?

원자가 전자란

원자의 전자는 원자핵 주위의 껍질에 배열되어 있습니다. 안쪽 껍질의 전자인 내각 전자는 단단히 붙들려 있어 반응에 거의 참여하지 않습니다. 가장 바깥쪽 껍질의 전자는 원자핵에서 더 멀고 덜 단단히 붙들려 있어서 다른 원자와 가장 먼저 상호 작용합니다. 이것이 원자가 전자입니다.

나트륨은 전자가 11개이며 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹로 배열됩니다. 처음 10개는 네온과 같은 배치의 안정한 안쪽 부분을 이루고, 하나뿐인 3s 전자가 나트륨의 유일한 원자가 전자입니다. 나트륨의 화학적 성질은 거의 모두 이 전자 하나에서 나옵니다.

족 번호로 원자가 전자 구하기

주족 원소는 주기율표가 바로 답을 알려 줍니다. 1족과 2족 원소는 원자가 전자가 각각 1개와 2개입니다. 13족부터 18족까지는 족 번호에서 10을 뺍니다. 13족은 3개, 14족은 4개, 15족은 5개, 16족은 6개, 17족은 7개, 18족은 8개입니다.

따라서 탄소(14족)는 원자가 전자가 4개, 질소(15족)는 5개, 산소(16족)는 6개, 네온(18족)은 8개입니다. 헬륨은 18족의 예외로, 원자가 전자가 2개뿐이며 이 전자들이 첫 번째 껍질을 완전히 채웁니다.

전자 배치로 구하기

전자 배치를 안다면 번호가 가장 높은 껍질에 있는 전자의 수를 세면 됩니다. 주족 원소에서는 바깥쪽 s 전자와 p 전자가 이에 해당합니다.

산소는 1s² 2s² 2p⁴입니다. 가장 높은 껍질은 2이고 여기에 2 + 4 = 6개의 전자가 있으므로 산소의 원자가 전자는 6개입니다. 브로민은 [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵입니다. 가장 높은 껍질은 4이고 여기에 2 + 5 = 7개의 전자가 있습니다. 가득 찬 3d 부껍질은 안쪽 껍질에 속하므로 세지 않으며, 그래서 브로민의 원자가 전자는 다른 모든 할로젠처럼 7개입니다.

원자가 전자와 이온

원자는 비활성 기체처럼 안정한 배치, 보통 바깥쪽 전자 8개(옥텟)에 이를 때까지 전자를 얻거나 잃거나 공유하는 경향이 있습니다. 수소나 리튬처럼 아주 작은 원자는 대신 헬륨의 2개를 목표로 합니다.

원자가 전자가 적은 원소는 전자를 잃고 양이온이 되고, 많은 원소는 전자를 얻어 음이온이 됩니다. 1족 금속은 +1 이온(Na⁺)을, 2족 금속은 +2 이온(Mg²⁺)을, 13족의 알루미늄은 +3 이온(Al³⁺)을 만듭니다. 반대편에서는 15족의 질소와 인이 −3 이온(N³⁻, P³⁻)을, 16족의 산소와 황이 −2 이온(O²⁻, S²⁻)을, 17족의 할로젠이 −1 이온(Cl⁻)을 만듭니다. 비활성 기체는 이미 바깥쪽 껍질이 가득 차 있으므로 전하가 0입니다. 14족의 탄소와 규소는 단순한 이온을 만드는 대신 보통 원자가 전자 4개를 공유 결합으로 공유합니다.

원자가 전자와 결합

원자가 전자는 공유 결합도 설명해 줍니다. 탄소는 원자가 전자가 4개이고 옥텟을 채우려면 4개가 더 필요하므로, 메테인(CH₄)처럼 보통 결합을 4개 만듭니다. 5개인 질소는 암모니아(NH₃)에서 결합을 3개, 6개인 산소는 물(H₂O)에서 결합을 2개 만듭니다.

루이스 점 구조는 원자가 전자를 원소 기호 둘레의 점으로 나타냅니다. 산소는 점 6개, 염소는 점 7개로 그리므로, 각 원자에 전자가 몇 개 더 필요한지 쉽게 알 수 있습니다.

전이 금속: 특별한 경우

전이 금속에서는 규칙이 덜 단순합니다. 바깥쪽 껍질 바로 안쪽의 d 부껍질에 있는 전자도 결합에 참여할 수 있기 때문입니다. 이 사이트에서 전이 금속에 표시하는 원자가 전자의 수는 바깥쪽 s 부껍질에 있는 전자의 수입니다. [Ar] 3d⁶ 4s²인 철은 원자가 전자가 2개로 표시됩니다.

d 전자도 결합한다는 점을 기억하세요. 철은 흔히 Fe²⁺와 Fe³⁺를 모두 만듭니다. 먼저 4s 전자 2개를 잃고, 그다음 3d 전자 1개를 잃어 Fe³⁺가 됩니다. 이것이 많은 전이 금속이 흔한 전하를 둘 이상 가지는 이유입니다.