생명과학 기초/전자배치와 화학적 특징

원소 주기율표를 보면 다양한 원소들이 지구상에서 존재하는 것을 알 수 있습니다. 과학을 하지 않는 사람들도 일상 속에서 친숙한 원소들이 반겨줄 겁니다. 오늘은 이 많은 원소들이 각자 가지고 있는 전자 배치와 화학적 특징에 대해 알아보겠습니다. 

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전자 배치와 화학적 특징

원소 주기율표 (제 3껍질까지)

원자의 화학적 특성은 원자의 원자 껍질에서 전자의 분포에 의해 결정됩니다. 가장 간단한 원자인 수소로부터 시작하여 한번에 1개의 양성자와 1개의 전자를 넣어 가면서 여러 원소를 이루는 원자들을 만들어간다고 생각할 수 있습니다. 위의 그림은 주기율표의 축약판입니다.

 

수소에서 아르곤까지의 전자 배치를 보여줍니다. 원소들은 원자들의 전자껍질수에 따라 세 개의 가로 열 혹은 주기로 나뉘어 배열되어 있습니다.. 각 열의 왼쪽에서 오른쪽으로의 배열 순서에 따라 전자와 양성자의 숫자가 하나씩 증가됩니다.

 

수소의 하나의 전자와 헬륨의 두 전자는 첫 번째 전자껍질에 놓여 있고, 전자 역시 다른 모든 물질과 마찬가지로 가장 낮은 위치에너지를 갖는 상태로 존재하려는 경향이 있습니다.

 

원자에서 이 상태는 바로 첫 번째 전자껍질에 위치하는 것입니다. 그러나 첫 번째 전자껍질에는 단 두 개의 전자만이 위치할 수 있어 주기율표에서 첫 번째 가로 열의 원소는 수소와 헬륨, 단 두 개입니다.

 

두 개 이상의 전자를 갖는 원소들은 첫 번째 껍질이 가득 채워져 있어 다음 단계의 껍질에 전자가 위치해야 합니다. 다음 원자인 리튬은 3개의 전자를 갖습니다.

 

두 개의 전자는 첫 번째 껍질에 위치하며 나머지 하나의 전자는 두 번째 껍질에 위치하게 됩니다. 두 번째 껍질에는 최대 8개의 전자가 위치할 수 있습니다.

 

두 번째 가로 열의 마지막 원소인 네온은 두 번째 껍질에 모두 8개의 전자가 있어, 결국 이 원소는 총 10개의 전자를 갖는 것입니다. 원자들의 화학적 특성은 주로 가장 바깥쪽의 전자껍질에 존재하는 전자의 숫자에 의해 결정됩니다.

 

이러한 가장 바깥쪽의 전자들은 최외각전자이자, 원자가 전자라 합니다. 그리고 가장 바깥쪽의 전자껍질은 원자가 껍질이라고 합니다. 리튬의 경우, 한 개의 원자가 전자가 있으며 두 번째 껍질이 원자가 껍질인 것이다.

 

원자가 껍질에 동일한 개수의 전자를 갖는 원소는 유사한 화학적 특성을 띱니다. 예를 들어, 플루오르(F)와 염소(Cl)의 경우 모두 7개의 원자가 전자를 가지며 둘 다 소듐과 결합하여 화합물을 형성합니다.

 

원자가 껍질이 완전히 채워진 원자는 반응성이 없어 다른 원자들과 쉽게 결합하지 않습니다. 위의 주기율표에서 가장 오른쪽에 있는 원소는 헬륨과 네온, 아르곤이며, 이 세 개의 원소만이 완전히 채워진 원자가 껍질을 가지고 있습니다. 이 원소들은 화학적으로 반응성이 없음을 의미하는 비활성 상태라고 합니다. 

 

원래 계획은 전자배치 및 화학적 특성과 다양한 화학결합들을 함께 소개하려고 했으나, 너무 긴 글이 될 것 같아서 다음 포스팅에 이어서 하려고 합니다. 다음 포스팅은 화학결합의 종류와 특성에 대해서만 말씀드리도록 하겠습니다.