주기율표의 구성과 원소 분류

핵심 정리

주기율표는 원소를 원자 번호가 증가하는 순서로 배열하고, 성질이 비슷한 원소가 같은 세로줄에 오도록 구성한 표다. 원자 번호는 원자핵 속 양성자 수이며, 각 원소를 구별하는 기준이다. 가로줄은 주기, 세로줄은 족이라 한다. 원소 기호와 원자 번호를 확인하면 원소의 위치를 나타낼 수 있고, 그 위치를 전자 배치와 연결해 원소의 성질을 판단한다.

같은 주기 원소는 전자가 들어 있는 가장 바깥 껍질의 주 양자수가 같다. 따라서 전자 배치가 주어지면 가장 바깥 전자가 들어 있는 껍질의 주 양자수로 주기를 판별할 수 있다. 같은 족 원소는 원자가 전자 수가 같고, 주기가 다르면 원자가 전자가 들어 있는 주 양자수가 다르다. 원자가 전자가 들어 있는 주 양자수와 방위 양자수를 함께 이용하면 주기와 족을 정할 수 있다.

주기율표에서 족 번호와 홀전자 수는 원소를 분류하고 전자 배치를 추론하는 단서가 된다. 다만 홀전자 수 하나만으로 족이 항상 하나로 결정되지는 않는다. 홀전자 수가 1인 바닥 상태 원자는 1족 또는 17족일 수 있다. 주기율표의 왼쪽과 가운데에는 금속 원소가 주로 놓이고 오른쪽에는 비금속 원소가 주로 놓인다. 금속 원소는 전자를 잃어 양이온이 되기 쉽고, 비금속 원소는 주로 전자를 얻어 음이온이 되기 쉽다.

자세히

원소의 위치를 읽을 때는 먼저 표의 가로줄과 세로줄을 구별한다. 주기는 가로 방향의 배열이며, 족은 세로 방향의 배열이다. 원소를 원자 번호 순서로 놓으면 원자 번호가 하나씩 커지는 방향을 따라 원소가 배열된다. 주기율표의 각 칸에는 보통 원소 기호와 원자 번호가 표시된다. 원자 번호는 양성자 수이므로 원소의 종류를 정하며, 전자가 더해지거나 빠져 이온이 되어도 원소 자체의 정체성은 바뀌지 않는다. 중성 원자에서는 양성자 수와 전자 수가 같으므로 원자 번호를 알면 중성 원자의 전자 수를 알 수 있다. 원소 기호가 임의 기호로 바뀌어 제시된 문제에서도 이 원리는 그대로 적용된다.

전자 배치를 이용하면 표의 위치를 체계적으로 찾을 수 있다. 전자 배치에서 전자가 들어 있는 가장 바깥 껍질의 주 양자수를 확인한다. 그 주 양자수가 해당 원자의 주기를 가리킨다. 같은 주기에 있는 원소는 전자가 들어 있는 가장 바깥 껍질의 주 양자수가 같다. 이는 주기가 단순히 표에서의 행 이름에 그치지 않고 전자 배치의 바깥 껍질과 연결된 분류임을 뜻한다. 서로 다른 원자 번호의 원소라도 가장 바깥 전자가 들어 있는 주 양자수가 같으면 같은 주기에 속할 수 있다. 반대로 같은 족이라는 이유만으로 주 양자수까지 같다고 판단하면 안 된다.

족을 판단할 때는 원자가 전자의 배치와 그 전자가 들어 있는 오비탈의 종류를 함께 살핀다. 주족 원소에서는 같은 족 원소의 원자가 전자 수가 같다는 규칙을 활용할 수 있다. 다만 원자가 전자 수만 외워서 위치를 찾기보다 전자 배치에서 어느 껍질에 원자가 전자가 있는지 먼저 확인해야 한다. 원자가 전자가 들어 있는 주 양자수는 주기와 연결되고, 그 전자가 들어 있는 오비탈의 방위 양자수는 원소가 속하는 영역을 구분하는 정보가 된다. 원자가 전자가 들어 있는 주 양자수와 방위 양자수로 주기와 족이 정해진다. 이때 문제에서 전자 배치를 모두 제시하지 않고 홀전자 수, 원자가 전자 수, 이온의 전자 배치 등을 나누어 주면 각 자료를 따로 해석한 뒤 서로 맞는 원소 위치를 찾는다.

표의 위치, 전자 배치, 홀전자 수는 서로 보완하는 단서다. 바닥 상태 원자의 홀전자 수는 전자 배치에서 짝을 이루지 않은 전자의 수를 세어 구한다. 홀전자 수가 한 개라는 정보만으로 원소를 한 족으로 확정하지 말아야 하는 이유는 서로 다른 위치의 원소에서도 홀전자 수가 같을 수 있기 때문이다. 실제로 홀전자 수가 1인 바닥 상태 원자는 1족 또는 17족 원소일 수 있다. 따라서 홀전자 수가 주어지면 원자가 전자 수, 주기, 원자 번호 범위 같은 다른 조건과 함께 사용한다. 전자 배치를 직접 세기 어려운 경우에도 조건을 표의 위치에 대응시키면 가능한 원소를 차례로 좁힐 수 있다.

주기와 족을 혼동하지 않도록 아래처럼 기준을 분리해 정리한다.

주기율표에서 원소의 분류는 금속과 비금속을 구분하는 데에도 이용된다. 금속은 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬우며, 비금속은 주로 음이온이 되기 쉽다. 이 경향은 원소의 위치를 이용해 결합을 추론할 때 유용하지만, 이온의 전자 배치만 보고 원래 원소가 금속인지 비금속인지 곧바로 결론 내리는 방식은 조심해야 한다. 이온에서 전자 수를 확인한 뒤 전하량을 반영해 중성 원자의 전자 수를 복원하고, 그 원소가 주기율표에서 어디에 놓이는지 판단한다. 예를 들어 양이온은 중성 원자보다 전자가 적고 음이온은 중성 원자보다 전자가 많다. 전자 수가 같은 이온들이 제시되어도 양전하와 음전하의 수가 다르면 원래 원자의 전자 수는 달라질 수 있다.