8.3
이온 반경
이온 반지름은 이온 화합물에서 이온들 사이의 거리로 정의된 양이온 또는 음이온의 반지름입니다. 양이온은 모원자보다 작지만 음이온은 모원자보다 큽니다. 원자 반지름과 유사하게 이온 반지름은 전자의 수, 원자가 전자를 보유하는 궤도, 그리고 핵전하에 의해 결정됩니다.
리튬을 예로 들면, 헬륨 핵의 전자 배치와 가장 바깥쪽에 2s 전자를 가지고 있습니다. 2s 전자는 두 개의 1s 전자에 의해 핵전하로부터 가리워지며 152 피코미터의 원자 반지름에 기여합니다. 가장 바깥쪽 2s 전자를 잃으면 리튬 양이온이 생성되며 이 양이온에는 전자는 적지만 양성자의 수는 모원자와 동일합니다.
두 개의 1s 전자는 2s 전자보다 핵전하에 의해 더 큰 영향을 받기 때문에 핵에 더 가깝게 고정됩니다. 따라서 리튬 양이온의 이온 반지름은 60피코미터로 모원자보다 훨씬 작습니다. 이러한 경향은 일반적으로 모든 금속 양이온과 그 모원자에 대해 관찰됩니다.
이와는 대조적으로 음이온은 모원자보다 큽니다. 불소 원자가 전자를 받아들이면 가장 바깥쪽 전자로 추가되지만, 양성자의 수, 즉 핵전하는 이전과 같습니다. 이때 전자와 전자간 반발력이 증가되어 전자들이 공간에 더 많이 퍼지게 합니다.
따라서 불소 음이온의 반지름은 136 피코미터로 되어 모원자보다 훨씬 큽니다. 일반적으로 s 및 p-블록 원소의 이온 반지름은 주 에너지 준위의 수와 그에 따른 궤도의 수가 증가함에 따라 열 아래 방향으로 증가합니다. 같은 수의 전자를 가진 원자와 이온은 어떨까요?
이를 등전자 계열이라고 부르며 원자 번호가 증가하는 순으로 배열할 수 있습니다. 표시된 등전자 계열의 멤버들은 18개의 전자를 가지고 있습니다. 하지만 양성자의 수는 다릅니다.
황화 이온은 16개의 양성자가 18개의 전자를 끌어당기는 반면 칼슘 이온은 20개의 양성자가 같은 수의 전자를 끌어당깁니다. 따라서 칼슘은 더 많은 양성자로 황화물보다 전자를 훨씬 더 핵에 가깝게 끌어당길 수 있고 그 결과 칼슘 이온이 황화 이온보다 더 작아지게 됩니다. 전자 껍질이 추가되는 경우에는 달라지지만, 대체로 핵전하가 클수록 반지름은 작아집니다.
이 계열에서 황화물은 가장 크고 칼슘은 가장 작은 이온입니다.
이온 반경은 이온의 크기를 설명하는 데 사용되는 척도입니다. 양이온은 항상 상위 원자와 더 적은 수의 전자와 동일한 수의 양성자를 갖습니다. 그것은 그것이 파생된 원자보다 작습니다. 예를 들어, 알루미늄 원자(1s^22s^22p^63s^23p^1)의 공유 결합 반경은 118pm인 반면, Al3^+(1s^22s^22p^6)의 이온 반경은 68pm입니다. 전자가 외부 원자가 껍질에서 제거됨에 따라 더 작은 껍질을 차지하는 나머지 핵심 전자는 더 큰 유효 핵 전하 Z_eff를 경험하고 핵에 더욱 가까워집니다.
더 큰 전하를 가진 양이온은 더 작은 전하를 가진 양이온보다 작습니다(예: V^2+의 이온 반경은 79pm이고 V^3+의 이온 반경은 64pm입니다). 주기율표의 그룹 아래로 진행하면 동일한 전하를 갖는 연속 원소의 양이온은 일반적으로 주양자수 n의 증가에 따라 더 큰 반경을 갖습니다.
음이온은 원자의 원자가 껍질에 하나 이상의 전자가 추가되어 형성됩니다. 이로 인해 전자 사이의 반발력이 커지고 전자당 Z_eff가 감소합니다. 두 가지 효과(전자 수 증가 및 Z_eff 감소)로 인해 음이온의 반경이 모원자의 반경보다 커집니다. 예를 들어, 황 원자([Ne]3s^23p^4)의 공유 결합 반경은 104pm인 반면, 황화물 음이온([Ne]3s^23p^6)의 이온 반경은 170pm입니다. 임의의 그룹 아래로 진행되는 연속 원소의 경우 음이온은 더 큰 주양자수를 가지며 따라서 더 큰 반경을 갖습니다.
동일한 전자 구성을 갖는 원자와 이온을 등전자라고 합니다. 등전자 종의 예로는 N^3–, O^2–, F^–, Ne, Na^+, Mg^2+ 및 Al^3+(1s^22s^22p^6)가 있습니다. 또 다른 등전자 계열은 P^3–, S^2–, Cl^–, Ar, K^+, Ca^2+ 및 Sc^3+([Ne]3s^23p^6)입니다. 등전자원자 또는 이온의 경우 양성자의 수에 따라 크기가 결정됩니다. 핵 전하가 클수록 일련의 등전자 이온과 원자의 반경은 작아집니다.
이 문서는 에서 발췌되었습니다 OpenStax Chemistry 2e, Section 6.5: Periodic Variations in Element Properties.
이온 반지름은 이온 화합물에서 이온들 사이의 거리로 정의된 양이온 또는 음이온의 반지름입니다. 양이온은 모원자보다 작지만 음이온은 모원자보다 큽니다. 원자 반지름과 유사하게 이온 반지름은 전자의 수, 원자가 전자를 보유하는 궤도, 그리고 핵전하에 의해 결정됩니다.
리튬을 예로 들면, 헬륨 핵의 전자 배치와 가장 바깥쪽에 2s 전자를 가지고 있습니다. 2s 전자는 두 개의 1s 전자에 의해 핵전하로부터 가리워지며 152 피코미터의 원자 반지름에 기여합니다. 가장 바깥쪽 2s 전자를 잃으면 리튬 양이온이 생성되며 이 양이온에는 전자는 적지만 양성자의 수는 모원자와 동일합니다.
두 개의 1s 전자는 2s 전자보다 핵전하에 의해 더 큰 영향을 받기 때문에 핵에 더 가깝게 고정됩니다. 따라서 리튬 양이온의 이온 반지름은 60피코미터로 모원자보다 훨씬 작습니다. 이러한 경향은 일반적으로 모든 금속 양이온과 그 모원자에 대해 관찰됩니다.
이와는 대조적으로 음이온은 모원자보다 큽니다. 불소 원자가 전자를 받아들이면 가장 바깥쪽 전자로 추가되지만, 양성자의 수, 즉 핵전하는 이전과 같습니다. 이때 전자와 전자간 반발력이 증가되어 전자들이 공간에 더 많이 퍼지게 합니다.
따라서 불소 음이온의 반지름은 136 피코미터로 되어 모원자보다 훨씬 큽니다. 일반적으로 s 및 p-블록 원소의 이온 반지름은 주 에너지 준위의 수와 그에 따른 궤도의 수가 증가함에 따라 열 아래 방향으로 증가합니다. 같은 수의 전자를 가진 원자와 이온은 어떨까요?
이를 등전자 계열이라고 부르며 원자 번호가 증가하는 순으로 배열할 수 있습니다. 표시된 등전자 계열의 멤버들은 18개의 전자를 가지고 있습니다. 하지만 양성자의 수는 다릅니다.
황화 이온은 16개의 양성자가 18개의 전자를 끌어당기는 반면 칼슘 이온은 20개의 양성자가 같은 수의 전자를 끌어당깁니다. 따라서 칼슘은 더 많은 양성자로 황화물보다 전자를 훨씬 더 핵에 가깝게 끌어당길 수 있고 그 결과 칼슘 이온이 황화 이온보다 더 작아지게 됩니다. 전자 껍질이 추가되는 경우에는 달라지지만, 대체로 핵전하가 클수록 반지름은 작아집니다.
이 계열에서 황화물은 가장 크고 칼슘은 가장 작은 이온입니다.
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