Atomic Size Trends

Unit 1: Matter, Chemical Trends, and Chemical Bonding
Atoms and Elements

Atomic Size Trends

 

Ionization Energy ( 이온화 에너지 )

Ionization energy, also called ionization potential, in chemistry and physics, the amount of energy required to remove an electron from an isolated atom or molecule.

이온화 에너지 : 원자 1몰에서 최외각 전자 1몰 만큼의 개수를 떼어내어 양이온이 될 때의 필요한 에너지

(= 쉽게말해서 원자 1개에 전자 1개를 떼어내는데 필요한 에너지의 상대값 )

 

• Ionization energy increases going across a period from left to right.
• Ionization energy decreases going down a group.
  주기율표 상에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 이온화 에너지가 세지고 그룹 아래로 내려 갈수록 감소한다.
  (이온화 에너지가 클 수록 양이온이 되는 것이 어렵다고 말할 수 있다.)
  
  
  

출처 : Wikipedia

 

 

이온화 에너지에 이해에 대한 TIP

• 같은 족에서 원자번호가 증가할수록 늘어나는 것은 = 껍질의 개수
• 껍질의 개수가 늘어난다는 것은 = 핵과 최외각 껍질에 있는 전자가 멀어진다는 의미
• 핵과 최외각 전자간의 끌어당기는 힘인 유효 핵전하 감소 = 이온화 에너지줄어듬
• 예외도 있음 2족과 13족 15족과 16족이 예외

 

 

First Ionization Energies for Third Row Elements (MJ/mol)
3열 원소에 대한 1차 이온화 에너지 (MJ/mol)

 

        Na             Mg                Al                 Si                P                  S                 Cl                Ar

0.50

0.74

0.58

0.79

1.01

1.00

1.25

1.52

 참고 : 알루미늄과 황은 예상보다 이온화 에너지가 낮다. 이에 대한 설명은 다른 과정시 설명.

 

 

 

제 1이온화 에너지와 제 2이온화 에너지에 대한 보충 설명

이온화에너지가 갑자기 커지는 것은 최외각에 있는 전자를 모두 떼어내고 안정한 상태에서 전자를 떼어내기 때문이며 따라서 우리는 이 사실을 바탕으로 원자가 전자를 알 수 있다. 즉, 제3이온화에너지가 제2이온화에너지보다 갑자기 큰 폭으로 증가 했다면 이 원자의 원자가전자는 2개라는 걸 의미한다는 것. 또한, 이 원자가 안정한 이온이 되기 위해서 필요한 이온화에너지는 전자 두개를 떼어내야 하므로 제1이온화에너지 + 제2이온화에너지 이다.

 

제2 이온화에너지의 주기성은 전자 1개를 떼어낸 이후이므로 원자보다 전자 1개가 부족한, 원자번호 1 이전의 제1이온화에너지와 비슷한 모양의 주기성을 가지게 된다. 즉, 제1이온화에너지의 그래프를 왼쪽으로 한칸 이동시킨 모습과 비슷하게 된다. 예를 들자면 제1이온화에너지에서는 15족과 16족이 예외라면  제2이온화에너지는 16족과 17족이 예외가 된다.

​


                             

이온화 에너지에 대한 참고자료 출처 ▼

1. https://blog.naver.com/breaktime_kr/222125282759

22화. 이온화 에너지의 주기성

 

2. https://blog.naver.com/junhjj0329/222084107087

원소의 주기적 성질 - 이온화에너지, 순차적 이온화에너지

 

---

Effective nuclear charge ( 유효핵전하 )

전자가 느끼는 실제 핵전하량 

 

• 같은주기 또는 같은족의 원자번호가 증가할수록 원자가전자가 느끼는 유효 핵전하도 증가한다.
• 주기율표 상에서 왼쪽에서 오른쪽을 갈수록 커지고 아래로 갈수록 변화가 거의 없다.
• 같은 껍질에 있는 전자보다 안쪽에 있는 껍질의 전자가 바깥쪽 껍질에 있는 전자를 막고 있을 때 바깥쪽 껍질에 있는 전자가 안쪽 껍질에 있는 전자보다 느끼는 핵전하가 상당히 작아질 수 밖에 없다. (가리움효과 때문에)

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=Zdc3zBrD2_4 

출처 : EBS 과학탐구

 

 

---

Electron Affinity ( 전자 친화도 )

전자랑 친한 정도 = 전자 하나를 잘 받아들이는 정도

 

 

 

• 이온화 에너지가 낮은 원자 = 전자 친화력이 낮음 = 그 반대의 경우도 마찬가지
  - 원자가 전자를 매우 쉽게 잃는 (즉, 낮은 이온화 에너지를 갖는) 원자는 추가 전자에 대한 인력이 거의 없기 때문에 (즉, 낮은 전자 친화력을 갖기 때문에) 이는 의미가 있다.
• 전자의 이득이 중성 원자보다 낮은 에너지의 전자 구성을 가진 이온을 생성하면 전자 친화성이 높아진다.
  Ex) A와 B의 전자 친화도 비교시 A가 B보다 크다고 할 때
  -> A가 B보다 전자를 더 잘 받아들인다고 함. 이 의미는 A는 B보다 음이온이 더 잘된다는 것임.
  
  
  
  

https://www.youtube.com/watch?v=DbGS3qvzUeY 

출처 : EBS 과학탐구

 

---

Electronegativity ( 전기 음성도 )

공유 결합시 원자들이 공유 전자쌍을 당기는 정도를 수치화 시켜 값을 매긴 것

 

 

 

Winsconsin text book

 

• 수치가 크면 클수록 전자쌍을 세게 당긴다고 말함.
• 같은 주기에서는 전기음성도가 원자 번호가 커짐에 따라서 전기음성도 (  χ ) 가 커진다. (왼쪽->오른쪽)
  =오른쪽으로 갈 수록 핵전하가 커지기 때문에 가장 바깥 껍질에 있는 전자를 그만큼 세게 당길 수 있음
  = 근처에 있는 전자를 세게 당길 수 있음
• 같은 족에서는 번호가 커짐에 따라서 전기음성도가 작아진다. (위에서 -> 아래)
• Flourine 에서 왼쪽으로 가는 2주기의 수치랑 17족에 있는 수치 세가지만 외워두기

---

Atomic Radius ( 원자 반지름 )

 

같은 종류의 원자가 결합하고 있을 때 원자핵과 원자핵 사이 거리의 절반

= 원자핵에서 가장 바깥 껍질까지의 거리

 

원자 반지름에 영향을 주는 요인 우선순위

1. 전자 껍질 수 -> 주기가 늘어나면 전자 껍질 수가 많아져서 반지름이 커짐

                        (이 때 전자 껍질수의 간격이 엄청 크다고 생각해보면 비교가 쉬움)

2. 유효 핵전하 -> 같은 주기일 때 비교를 많이 함. 이렇게 같은 주기일 때
                       원자 번호가 증가할수록 유효 핵전하가 증가해서 반지름이 작아짐

                        (원자핵이 전자를 당기는 힘이 세지므로 유효 핵전하는 작을수록 원자 반지름이 커짐)
                        원자 번호 ≒ 유효 핵전하

3. 전자 수 ->  전자끼리는 서로 반발력이 작용하므로 전자가 많아질수록 반발력은 커지고 원자 반지름도 증가

 

 

 

원자 반지름 성질 이해에 대한 TIP

• 주기율표 상에서 왼쪽 아래로 갈수록 원자 반지름은 커진다 
• 같은 족에서 원자번호가 커질수록 껍질수가 증가 하므로 원자 반지름 커짐
• 같은 주기에서는 원자번호가 작아질수록 유효핵전하도 작아지므로 원자 반지름 커짐
  =주기가 커지면 유효핵전하도 커짐 = 양성자 수가 증가함으로써 핵전하 증가
• 전자 껍질수에서 이미 차이가 난다면 유효 핵전하랑 전자수는 큰 의미는 없다.
• 전자껍질수, 전자 수 증가에 의한 유효핵 전하 감소 + 가려막기 효과 때문
  (유효핵전하 = 핵전하 - 가려막기효과)

 

원자 반지름 비교 예시 

 

Ex1)    Na (껍질수3)        <        K (껍질수4)

 

Ex2)    Na (껍질수3)                   Mg (껍질수3)
            (원자번호11)      >          (원자번호12)

Ex3)    Na (껍질수3)         >         Na+ (껍질수2)

참고 : 나트륨과 같은 금속 원소들은 양이온이 될 때 가장 바깥 껍질의 전자를 모두 버리므로 껍질 수가 감소. 따라서 모든 금속원소는 원자 반지름이 이온 반지름보다 더 크다

 

원자 반지름에 관한 자료 출처 ▼

 

 https://blog.naver.com/venomous1st/222228881683

Ⅱ-4. 원소의 주기적 성질 ② [유효핵전하와 원자 반지름]

 

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=-axpX5Bxh7s&t=1s 

출처 : 탑사이언스 유튜브

---

 

Atomic radius 주기성 

* 전자입장에서는 프로톤(+)과 핵에 가까울수록 에너지 레벨이 낮다 = 편안한 상태(안정된 상태) 라고 말할 수 있다.

 

 

같은 주기 안에서 ( 가로줄 : 왼쪽에서 오른쪽으로 )

ㅇ원자 번호 ↑   유효핵전하(Electron Affinity) ↑   원자핵과 원자가 전자 사이 인력 ↑   원자 반지름(Atomic radius) ↓

* 전기음성도(Electron negativity) ↑ 이온화 에너지(Ionization Energy)↑

같은 족 안에서 ( 세로줄 : 위에서 아래로 )

ㅇ원자번호 ↑   전자 껍질 수 (Valence shell)↑  원자 반지름(Atomic radius) ↑

* 전기음성도(Electron negativity) ↓ 이온화 에너지(Ionization Energy)↓



https://www.youtube.com/watch?v=3gi-JCIOa2c

출처 : 클립 화학