원자가 전자와 홀전자 수

핵심 정리

원자의 전자 수를 해석할 때에는 전자 배치의 기준 상태와 묻는 전자의 범위를 먼저 확인한다. 원자가 전자 수는 주 양자수가 가장 큰 껍질, 곧 가장 바깥 껍질에 있는 전자 수다. 바닥 상태에서는 최외각 전자 수와 원자가 전자 수가 같다. 따라서 전형 원소에서는 안쪽 껍질의 전자를 원자가 전자 수에 더하지 않는다. 바닥 상태에서 같은 족에 속하는 원소는 주기가 달라도 원자가 전자 수가 같다.

홀전자 수는 바닥 상태 전자 배치에서 짝을 이루지 않은 전자의 수다. 전자를 오비탈에 채울 때에는 같은 에너지의 오비탈에 먼저 하나씩 들어가고, 그 뒤에 짝을 이룬다. 그러므로 홀전자 수는 훈트 규칙에 따라 오비탈에 홀로 들어 있는 전자의 수로 정한다. 원자가 전자의 홀전자 수를 물으면 오비탈에 홀로 들어간 전자만 센다.

전자 배치를 읽을 때는 주 양자수가 가장 큰 껍질을 찾아 원자가 전자 수를 구하고, 오비탈별 전자 수를 확인해 홀전자 수를 따로 센다. 원자가 전자 수와 홀전자 수는 서로 다른 기준의 값이므로 한쪽을 다른 쪽으로 대신할 수 없다. 둘 다 바닥 상태인지 들뜬 상태인지에 따라 달라질 수 있으므로 상태 조건을 놓치지 않는다.

자세히

전자 배치 표기에는 각 전자가 어느 껍질과 오비탈에 속하는지가 드러난다. 예를 들어 1s^2 2s^2 2p^3은 첫 번째 껍질의 s 오비탈에 전자 두 개, 두 번째 껍질의 s 오비탈에 전자 두 개, 두 번째 껍질의 p 오비탈들에 전자 세 개가 있다는 뜻이다. 위첨자는 해당 오비탈 종류에 들어 있는 전자 수를 나타내지만, 홀전자 수를 바로 나타내지는 않는다. p 오비탈은 같은 껍질 안에 서로 다른 세 개가 있으므로, p에 전자 세 개가 있다는 사실만으로는 각각의 오비탈 점유를 그려 확인해야 한다. 바닥 상태에서 전자는 가능한 낮은 에너지부터 채워진다. 같은 에너지의 오비탈이 여러 개 있으면 훈트 규칙에 따라 각 오비탈을 하나씩 채운 다음 짝을 만든다. 이 순서가 홀전자 수를 정하는 핵심이다.

원자가 전자 수를 구하는 절차는 전자 배치에서 가장 큰 주 양자수를 찾는 것부터 시작한다. 주 양자수는 껍질을 구별하므로, 전자가 들어 있는 껍질 가운데 주 양자수가 가장 큰 껍질이 최외각 껍질이다. 전형 원소에서는 그 껍질에 들어 있는 전자를 모두 세면 원자가 전자 수를 얻는다. 그보다 작은 주 양자수의 껍질에 들어 있는 전자는 안쪽 전자이므로 세지 않는다. 이때 오비탈의 종류를 하나씩 따져 전자 수를 더하면 실수를 줄일 수 있다. 가령 전자 배치가 1s^2 2s^2 2p^5라면 가장 큰 주 양자수는 2이고, 그 껍질의 전자는 2+5개다. 첫 번째 껍질의 전자 두 개를 여기에 더하지 않는다. 이는 전자 배치의 전체 전자 수를 세는 문제와 원자가 전자 수를 세는 문제를 구별하는 방법이기도 하다.

같은 족을 이용하는 방법은 전자 배치가 직접 주어지지 않았을 때 유용하다. 이 절에서 다루는 주족 원소의 경우 같은 족의 원소는 최외각 전자 수가 같으므로 원자가 전자 수가 같다. 주기가 다르다는 것은 최외각 전자가 놓인 껍질이 달라질 수 있다는 뜻이지, 같은 족의 원자가 전자 수가 달라진다는 뜻은 아니다. 따라서 주기율표에서 원소의 위치가 주어지면 우선 족을 비교하고, 같은 족인지 확인한 뒤 원자가 전자 수를 비교한다. 반대로 같은 주기에 있다는 사실만으로 원자가 전자 수가 같다고 판단해서는 안 된다. 같은 주기에는 서로 다른 족의 원소들이 있으므로 원자가 전자 수가 서로 다를 수 있다. 문제에 족 번호나 원소의 후보 범위가 함께 주어지면 이를 전자 배치 자료와 맞춰 원소를 좁힌다.

홀전자 수는 전자를 오비탈에 배치한 뒤 오비탈마다 짝이 있는지 확인해 구한다. 하나의 오비탈에는 전자가 최대 두 개 들어갈 수 있고, 두 전자가 들어 있으면 짝을 이룬다. 전자가 하나만 들어 있는 오비탈의 전자는 홀전자다. s 오비탈은 한 개뿐이므로 s 전자 부분은 해당 오비탈에 전자가 하나인지 둘인지 확인하면 된다. p 오비탈은 세 개이므로 전자 수가 여러 오비탈에 어떻게 나뉘는지 훈트 규칙에 따라 배치한다. p 오비탈에 전자가 하나, 둘, 셋 들어가는 동안에는 먼저 서로 다른 오비탈을 하나씩 채운다. 그 뒤에는 이미 전자가 하나씩 들어 있는 오비탈에 차례로 짝을 채운다. 따라서 p 전자 수만 보지 않고 그 수를 세 오비탈에 분배해야 홀전자 수를 정확히 얻는다.

예를 들어 2p^3은 세 오비탈에 하나씩 들어가므로 홀전자 세 개다. 2p^4에서는 세 오비탈에 하나씩 채운 뒤 하나의 오비탈에서 짝을 이루므로 홀전자는 두 개다. 2p^5에서는 두 오비탈이 짝을 이루고 한 오비탈에 하나가 남아 홀전자는 하나다. 이 예들은 전자 수가 늘어날 때 홀전자 수가 계속 늘기만 하는 것이 아님을 보여 준다. 바닥 상태의 전자 배치에 훈트 규칙을 적용해 오비탈별 점유를 확인하는 것이 먼저이며, 전자 수만 보고 홀전자 수를 추측하지 않는다. 단, 이 설명은 같은 에너지의 p 오비탈에 전자를 채우는 상황을 다루며, 실제 문제에서 주어진 전자 배치나 상태 조건을 우선 확인해야 한다.