유효 핵전하와 주기적 성질

핵심 정리

원자핵은 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠므로 서로 끌어당긴다. 다전자 원자에서는 원자가전자와 원자핵 사이에 있는 다른 전자들이 핵의 인력을 일부 가린다. 이렇게 가림 효과를 고려했을 때 원자가전자가 실제로 느끼는 핵의 인력을 유효 핵전하라고 한다. 실제 핵전하가 커져도 내부 전자의 가림 효과가 함께 작용하므로, 원자가전자가 느끼는 인력은 핵전하와 같지 않다. 유효 핵전하를 비교할 때는 핵전하뿐 아니라 전자 배치와 전자껍질 수도 살펴야 한다.

같은 주기의 원자는 전자껍질 수가 같다. 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자번호가 커져 핵전하가 증가한다. 전자가 같은 껍질에 더해지므로 유효 핵전하도 커진다.같은 주기에서 원자번호가 클수록 유효 핵전하가 커진다. 이 관계는 같은 주기라는 조건에서 적용한다. 주기가 다르면 전자껍질 수도 다르므로 원자번호만으로 유효 핵전하의 대소를 판단할 수 없다.

원자 반지름은 전자 수 하나만으로 정해지지 않는다. 유효 핵전하가 커지면 원자가전자가 핵에 더 강하게 끌리고, 전자껍질 수가 달라지면 원자가전자가 핵에서 떨어진 거리도 달라진다. 따라서 반지름을 비교할 때는 두 요인을 함께 살펴야 한다. 유효 핵전하가 크면 원자가전자가 핵에 더 강하게 끌린다. 다만 제공된 근거만으로 이 관계에서 제1 이온화 에너지의 대소를 일반화하기는 어렵다.

자세히

원자번호는 원자핵의 양성자 수를 나타내며, 양성자 수가 많을수록 핵전하가 커진다. 그러나 원자가전자는 핵전하를 온전히 느끼지 않는다. 원자핵과 원자가전자 사이에 있는 전자도 음전하를 띠어 원자가전자와 밀어내기 때문이다. 이 전자들이 핵의 인력을 가리는 현상을 가림 효과라고 한다. 따라서 유효 핵전하는 핵전하를 바탕으로 하되 전자에 의한 가림을 고려한 양이다. 특정 전자에 작용하는 힘을 양성자 수와 같은 값으로 취급해서는 안 된다.

유효 핵전하를 비교할 때는 먼저 대상이 원자인지 이온인지, 그리고 어떤 전자를 비교하는지 확인한다. 이 절에서는 대체로 원자가전자가 느끼는 유효 핵전하를 다룬다. 다음으로 원자번호에 따른 핵전하를 확인하고, 전자 배치와 껍질 수를 살펴 전자에 의한 가림이 어떻게 다른지 판단한다. 핵전하만 보고 결론을 내리기보다 비교 조건을 먼저 확인해야 한다.

같은 주기의 두 원자는 원자가전자가 놓인 전자껍질이 같다. 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 양성자 수가 늘어 핵전하가 커진다. 전자 수도 늘지만 추가된 전자는 같은 전자껍질에 배치된다. 따라서 핵전하의 증가가 전자에 의한 가림의 증가보다 크게 작용해 원자가전자가 느끼는 유효 핵전하가 커진다. 그러므로 같은 주기에서는 원자번호가 클수록 유효 핵전하도 크다.같은 주기에서 원자번호가 클수록 유효 핵전하가 커진다.

이 관계에서 중요한 조건은 ‘같은 주기’다. 주기가 바뀌면 원자가전자가 들어 있는 전자껍질 수가 달라진다. 껍질이 더해지면 내부 전자의 가림도 달라지므로, 서로 다른 주기의 원자끼리는 원자번호가 큰 쪽의 유효 핵전하가 더 크다고 단정할 수 없다. 껍질 수와 전자 배치를 함께 고려해야 한다. 같은 주기의 경향을 주기가 다른 원자에 그대로 적용하지 말고, 핵전하와 유효 핵전하를 구별해야 한다.

전자 배치가 같은 이온은 핵전하의 차이를 중심으로 비교할 수 있다. 이 조건에서는 핵전하가 큰 이온일수록 유효 핵전하도 크다. 이 결론을 전자 배치가 서로 다른 모든 원자나 이온에 적용해서는 안 된다. 먼저 이온들의 전자 배치가 같은지 확인해야 한다. 이온은 중성 원자와 전자 수가 다를 수 있으므로, 중성 원자의 주기적 경향을 그대로 적용하지 않는다.