순차 이온화 에너지

핵심 정리

기체 상태의 원자나 이온에서 전자 하나를 떼어 내는 데 필요한 최소 에너지를 이온화 에너지라고 한다. 전자를 떼어 내는 과정은 에너지를 흡수하며, 필요한 에너지가 클수록 그 전자를 떼어 내기 어렵다. 중성 원자에서 전자 하나를 떼어 내는 데 필요한 에너지가 제1 이온화 에너지이고, 그 결과 생긴 양이온에서 다음 전자를 떼어 내는 데 필요한 에너지가 제2 이온화 에너지다. 제n 이온화 에너지는 앞서 전자를 n-1개 떼어 낸 이온에서 다음 전자를 떼어 내는 에너지다.

제1 이온화 에너지와 제2 이온화 에너지는 서로 다른 입자에서 시작한다. 제1 이온화 에너지는 중성 원자를, 제2 이온화 에너지는 이미 양전하를 띤 이온을 대상으로 한다. 같은 원자에서 제2 이온화 에너지는 제1 이온화 에너지보다 크다. 같은 원자에서 제2 이온화 에너지는 제1 이온화 에너지보다 크다. 이온화가 이어지면 남은 전자를 끌어당기는 양전하 이온의 영향이 커지므로 순차 이온화 에너지는 대체로 증가한다.

가장 바깥 전자 껍질의 전자를 모두 떼어 낸 다음에는 안쪽 껍질의 전자를 제거해야 한다. 이때 다음 이온화 에너지가 급격히 증가한다. 따라서 값이 급격히 뛰기 직전까지 제거된 전자 수를 원자가 전자 수로 판단할 수 있다. 제2 이온화 에너지는 양이온에서 전자를 떼어 내는 값이며 제1 이온화 에너지보다 대체로 크다. 제2 이온화 에너지는 제1 이온화 에너지보다 항상 크다.

자세히

순차 이온화 에너지를 해석할 때는 에너지 기호의 아래첨자와 전자를 떼어 내기 전의 입자를 함께 확인한다. 제1 이온화 에너지에서는 중성 원자에서 첫 전자를 떼어 낸다. 제2 이온화 에너지에서는 제1 이온화 뒤에 만들어진 양이온에서 다음 전자를 떼어 낸다. 제3 이온화 에너지는 전자를 두 개 잃은 이온에서 세 번째 전자를 떼어 내는 에너지다. 이처럼 각 값은 같은 원소의 연속된 과정에 해당하지만, 매 단계의 시작 입자는 앞 단계에서 전자를 잃은 이온이다. 그러므로 표의 제2 이온화 에너지를 볼 때 중성 원자의 전자와 핵 사이 인력만 생각해서는 안 된다. 전자를 이미 잃은 양이온에 남은 전자가 놓인 상태를 살펴야 한다.

전자를 하나 떼어 내면 원자나 이온의 전자 수가 줄고 양전하가 커진다. 핵의 양전하는 그대로이므로 남아 있는 전자는 이전보다 강한 인력을 받는다. 따라서 같은 원자에서 이온화가 진행될수록 다음 전자를 떼어 내는 일이 대체로 어려워진다. 순차 이온화 에너지가 점점 커지는 까닭이다. 이는 매 단계의 값이 같거나 일정한 폭으로 증가한다는 뜻은 아니다. 비교할 때는 값의 크기뿐 아니라 어느 단계에서 증가 폭이 특별히 커지는지도 본다. 에너지 표나 그래프의 전체적인 상승과 한 지점의 급격한 상승은 서로 다른 정보를 준다. 전자는 순차적으로 전자를 떼어 내는 일반적인 경향을 보여 주고, 후자는 껍질이 달라지는 단서를 준다.

특히 바깥 껍질의 전자를 모두 제거한 뒤에는 안쪽 껍질의 전자를 떼어 내야 하므로 에너지가 크게 증가한다. 가장 바깥 전자를 하나씩 제거하는 동안의 변화와 안쪽 껍질로 넘어간 뒤의 변화를 같은 크기의 변화로 취급하지 않는다. 연속된 이온화 에너지 자료에서 급격한 증가가 나타나기 전까지 제거된 전자 수를 세면 원자가 전자 수를 알아낼 수 있다. 예를 들어 제n 이온화 에너지에서 처음으로 큰 도약이 관찰된다면, 그 직전 단계까지 제거된 전자 수가 바깥 껍질 전자 수에 대응한다. 중요한 것은 도약이 어느 값 다음에 나타나는지를 읽는 것이다. 도약한 에너지의 번호와 도약 직전까지 제거한 전자 수를 혼동하지 않는다.

원소 사이의 제2 이온화 에너지를 비교할 때는 제1 이온화 에너지의 순서를 그대로 옮겨 적지 않는다. 제2 이온화 에너지는 이미 전자를 하나 잃은 양이온에서 출발하므로, 그 양이온에 남은 전자가 어떤 껍질에 있는지에 따라 비교가 달라진다. 같은 주기라는 조건만으로 유효 핵전하에 따른 제2 이온화 에너지의 순서를 단정하지 않는다. 전자를 하나 잃은 뒤 남은 전자의 껍질과 전자 배치를 함께 확인한다. 이 비교는 제2 이온화 에너지라는 같은 종류의 값끼리 하고, 전자를 하나 잃은 뒤의 전자 상태를 기준으로 해석한다. 유효 핵전하는 바깥 전자가 핵으로부터 받는 인력을 비교할 때 고려하는 요소다. 그러나 이 말만 외워 원소 이름이나 족만으로 모든 비교를 끝내면 안 된다. 먼저 이온화 단계가 같은지, 원자가 전자 수와 전자 껍질이 어떻게 연결되는지를 확인해야 한다.

같은 주기에서 1족 원소는 2족 원소보다 제2 이온화 에너지가 크다. 이 관계는 제2 이온화 에너지가 중성 원자에서 첫 전자를 떼는 값이 아니라는 점과 연결해 이해해야 한다. 1족 원소가 전자를 하나 잃고 나면 바깥 껍질의 전자를 잃은 상태가 되므로, 다음 전자를 떼려면 안쪽 껍질의 전자를 제거해야 한다. 반면 2족 원소는 제1 이온화 뒤에도 바깥 껍질 전자가 남아 있어, 제2 이온화에서 그 전자를 제거한다. 따라서 2족의 제2 이온화 에너지를 무조건 더 크다고 생각하면 안 된다. 이 차이는 제2 이온화 에너지의 대소를 묻는 문제에서 원자가 전자 수를 확인해야 하는 이유다.