전자 배치의 세 원리

핵심 정리

바닥 상태 원자의 전자 배치를 정할 때에는 쌓음 원리, 파울리 배타 원리, 훈트 규칙을 함께 적용한다. 이들은 각각 전자가 어느 오비탈로 들어가는지, 한 오비탈에 몇 개까지 들어가는지, 같은 부껍질의 여러 오비탈에 어떻게 나뉘는지를 정한다. 세 원리는 서로 다른 질문에 답하므로 한 규칙을 다른 규칙으로 대신할 수 없다.

쌓음 원리는 전자가 에너지가 낮은 오비탈부터 차례로 채워진다는 원리다. 다전자 원자에서 주 양자수가 같으면 s 오비탈의 에너지가 p 오비탈보다 낮고, 같은 원자에서 2p 오비탈은 3s 오비탈보다 에너지 준위가 낮다. 파울리 배타 원리에 따라 한 오비탈에는 스핀이 반대인 전자 두 개까지만 들어간다.한 오비탈에는 스핀이 반대인 전자 두 개까지만 들어갈 수 있다.

훈트 규칙은 에너지가 같은 같은 부껍질의 오비탈들을 채울 때 홀전자가 최대가 되도록 한 오비탈에 하나씩 먼저 넣는 규칙이다.같은 부껍질의 오비탈은 홀전자가 최대가 되도록 한 칸씩 먼저 채운다. 껍질은 주 양자수가 같은 오비탈을 묶은 것이고, 부껍질은 껍질 안에서 종류가 같은 오비탈을 묶은 것이다. K 껍질에는 전자가 최대 2개 들어가며, L 껍질의 전자 수는 2s와 2p 오비탈의 전자 수를 더해 구한다. 3주기 원자의 L 껍질은 8개로 채워진다.

자세히

전자 배치를 읽고 판단할 때는 먼저 원자가 바닥 상태인지 확인한다. 바닥 상태란 전자가 가능한 한 낮은 에너지의 배치를 이룬 상태다. 원자 번호가 주어지면 중성 원자의 전자 수를 확인하고, 오비탈의 에너지 순서에 따라 전자를 배치한다. 여기서 쌓음 원리는 전체 배치의 바깥 순서를 정한다. 오비탈에 전자를 어느 정도 채운 뒤에는 파울리 배타 원리로 한 오비탈에 들어갈 수 있는 전자 수와 스핀을 확인하고, 같은 부껍질 안의 오비탈 사이에서는 훈트 규칙을 적용한다. 실제 판단에서는 이 세 과정을 반복해서 점검해야 한다.

오비탈은 전자가 존재할 수 있는 공간을 나타내며, 전자 배치에서 s, p와 같은 기호는 부껍질을 나타낸다. 한 부껍질에는 하나 또는 여러 오비탈이 있을 수 있다. s 오비탈은 하나이고 전자를 최대 두 개 담을 수 있다. p 부껍질에는 같은 에너지의 오비탈이 세 개 있으며, 각 오비탈은 각각 전자를 최대 두 개까지 담는다. 따라서 p 부껍질의 전자 수를 셀 때에는 전체 전자 수와 오비탈 수를 구별해야 한다. p 부껍질에 전자가 들어 있다고 해서 그 모든 오비탈에 전자가 들어 있는 것은 아니며, 전자 수와 전자가 들어 있는 오비탈 수는 서로 다른 값이다. 전자 배치에 따라 전자가 들어 있는 오비탈 수가 달라진다. 전자가 들어 있는 오비탈 수는 각 부껍질에서 실제로 전자가 들어간 오비탈의 수를 합해 구한다.

전자 배치의 첫 판단 기준인 쌓음 원리는 에너지의 순서다. 전자는 에너지가 낮은 오비탈을 먼저 채운다. 이 원리는 오비탈이 어떤 부껍질에 속하는지와 그 에너지 준위의 관계를 보고 적용한다. 같은 주 양자수 안에서는 s 오비탈의 에너지가 p 오비탈보다 낮다. 또 같은 원자에서 2p 오비탈의 에너지는 3s 오비탈보다 낮다. 따라서 주 양자수의 숫자만 보고 에너지를 일률적으로 비교하면 안 된다. 오비탈의 에너지 순서를 먼저 판단해야 전자가 어느 부껍질까지 들어가는지, 각 오비탈에 전자가 몇 개씩 있는지 결정할 수 있다. 주어진 오비탈의 양자수 정보로 에너지 준위를 비교하는 문항에서도 주 양자수만 비교하지 않고 부껍질의 종류를 함께 살핀다. 바닥 상태에서 전자는 낮은 에너지 오비탈부터 채워진다.

쌓음 원리를 적용해 부껍질별 전자 수를 정했다면, 파울리 배타 원리로 각 오비탈의 점유가 가능한지 확인한다. 한 오비탈에는 전자가 최대 두 개 들어가며, 두 전자가 함께 있을 때 스핀 방향은 서로 반대여야 한다. 따라서 전자가 세 개 이상 한 오비탈에 들어 있다고 나타낸 배치는 허용되지 않는다. 한 오비탈 안의 두 전자는 같은 오비탈을 점유하되 서로 반대 스핀을 갖는다. 같은 오비탈의 두 전자는 에너지가 같다. 오비탈 하나의 수용 한계를 묻는 경우에는 원자 전체의 전자 수나 부껍질 전체의 오비탈 수가 아니라, 그 오비탈 하나에 들어간 전자 수를 판단한다. s 오비탈도 다른 오비탈과 마찬가지로 최대 두 전자를 담는다. 하나의 오비탈에 들어갈 수 있는 전자는 최대 두 개다.

그다음 같은 부껍질에 있는 오비탈 사이의 배치를 훈트 규칙으로 판단한다. p 부껍질처럼 같은 에너지의 오비탈이 여럿 있는 경우, 전자들은 먼저 서로 다른 오비탈에 하나씩 들어간다. 각 오비탈에 홀전자가 하나씩 놓인 뒤에야 한 오비탈에 두 번째 전자가 들어가 짝을 이룬다. 따라서 전자가 들어 있는 오비탈의 수를 구할 때는 부껍질별 전자 수를 오비탈마다 실제로 나누어 보아야 한다. p 오비탈에 전자가 들어갈 때에도 같은 에너지의 오비탈을 먼저 홀전자로 채운다. 같은 부껍질의 오비탈에는 전자가 한 개씩 채워진 후 짝지어진다. 홀전자는 오비탈에 전자가 하나만 들어 있는 상태를 말하며, 전자쌍은 한 오비탈 안에 전자가 두 개 들어 있는 상태를 말한다. 같은 부껍질에서 홀전자 수가 최대가 되도록 배치된다는 판단은 이 둘의 수를 함께 확인하는 방법이기도 하다.

표의 세 질문은 연결되지만 서로 바꾸어 쓸 수 없다. 쌓음 원리는 서로 다른 에너지의 오비탈 사이에서 어느 쪽에 전자가 먼저 들어가는지를 정한다. 훈트 규칙은 같은 부껍질 안에서 에너지가 같은 오비탈들에 전자를 어떻게 나누는지를 정한다. 파울리 배타 원리는 그 결과로 만들어진 각각의 오비탈이 수용 가능한 점유 상태인지 제한한다. 예를 들어 전자가 낮은 에너지 오비탈에 먼저 들어갔더라도, 한 오비탈에 세 전자를 넣거나 한 오비탈에 함께 놓인 두 전자의 스핀을 같게 표시하면 파울리 배타 원리에 어긋난다. 반대로 한 오비탈마다 두 개 이하이고 스핀이 반대라고 해서 배치가 모두 옳은 것은 아니다. 같은 에너지의 오비탈이 비어 있는데 먼저 한 오비탈에서 짝을 만든 배치는 훈트 규칙을 만족하지 않을 수 있다.