8.1: 원소의 주기적인 분류

주기율표는 동일한 화학적 성질을 갖는 원소가 주기적으로 반복되도록 원자 번호가 증가하는 순서대로 원자를 배열합니다. 전자 구성이 표에 추가되면 이러한 요소의 외부 껍질에서 유사한 전자 구성이 주기적으로 반복되는 것이 관찰됩니다. 원자가 전자는 원자의 외부 껍질에 있기 때문에 화학 반응에서 가장 중요한 역할을 합니다. 외부 전자는 원자의 전자 중 가장 높은 에너지를 가지며 핵심 전자보다 더 쉽게 잃거나 공유됩니다. 원자가 전자는 또한 요소의 일부 물리적 특성을 결정하는 요소이기도 합니다.

가로줄을 주기라고 합니다. 한 주기에 걸쳐 각 연속 원소는 핵에 추가 양성자를 갖고 원자가 껍질에 추가 전자를 갖습니다. 세로 열은 그룹입니다. 한 그룹(또는 열)의 원소는 동일한 수의 원자가 전자를 갖습니다(그림 1). 알칼리 금속인 리튬과 나트륨은 각각 1개의 원자가 전자를 가지며, 알칼리 토금속인 베릴륨과 마그네슘은 각각 2개의 원자가 전자를 가지며, 할로겐인 플로오린와 염소는 각각 7개의 원자가 전자를 갖습니다. 요소가 반응하는 방식을 정의하는 것은 원자가 전자의 손실, 이득 또는 공유입니다. 같은 족의 원소들 사이의 화학적 성질의 유사성은 원자가 전자 수가 동일하기 때문에 발생합니다.

주기율표는 원자 구조에 대한 아이디어가 나오기 훨씬 전에 원소의 화학적 거동을 기반으로 개발되었다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이제 주기율표의 배열이 이해되었습니다. 원자가 전자 수가 같은 원소는 같은 족에 속합니다. 그림 1의 색칠된 부분은 채워지는 궤도에 따라 분류된 요소의 세 가지 범주를 보여줍니다.

Figure 1: 이 버전의 주기율표는 각 원소의 구성을 보여줍니다. 각 그룹의 구성은 대개 유사합니다.

주그룹 요소를 대표 요소라고도 합니다. 이는 그림 1에서 파란색과 빨간색으로 표시된 것처럼 추가된 마지막 전자가 가장 바깥쪽 껍질의 s 또는 p 궤도로 들어가는 요소입니다. 이 범주에는 모든 비금속 요소뿐만 아니라 준금속 및 많은 금속도 포함됩니다. 주족 원소의 원자가 전자는 n 준위가 가장 높은 전자입니다. 예를 들어, 갈륨(Ga, 원자 번호 31)은 세 개의 원자가 전자(밑줄 친)를 포함하는 전자 구성 [Ar]4s^23d^104p^1을 갖습니다. 완전히 채워진 d 오비탈은 원자가 전자가 아닌 코어 전자로 간주됩니다.

맨 왼쪽 열 2개는 s-블록을 구성하고 맨 오른쪽 6개 열은 p-블록을 구성합니다. p-블록의 일부인 희가스에는 2개의 헬륨을 제외하고 모두 8개의 원자가 전자가 있습니다. 이러한 요소는 매우 안정적이고 반응성이 없습니다.

전이 원소 또는 전이 금속: 마지막으로 추가된 전자가 d 궤도에 들어가는 금속 원소입니다. 이러한 원소의 원자가 전자(마지막 비활성 기체 구성 이후에 추가된 전자)에는 ns 및 (n – 1) d 전자가 포함됩니다. 전이 요소의 공식 IUPAC 정의는 부분적으로 채워진 d 궤도를 갖는 요소를 지정합니다. 따라서 완전히 채워진 궤도를 가진 요소(그림 1의 Zn, Cd, Hg 및 Cu, Ag 및 Au)는 기술적으로 전이 요소가 아닙니다. 그러나 이 용어는 전체 d 블록(그림 1에서 노란색)을 지칭하는 데 자주 사용됩니다.

d-블록은 10개의 열로 구성됩니다. 각 행을 채우는 d 오비탈의 주양자수는 행 번호에서 1을 뺀 값과 같습니다. 네 번째 행에서는 3d 오비탈이 채워지고, 다섯 번째 행에서는 4d 오비탈이 채워지는 식입니다.

내부 전이 요소: 그림 1에서 녹색으로 표시됩니다. 내부 전이 요소의 원자가 껍질은 (n – 2)f, (n – 1)d 및 ns 하위 껍질로 구성됩니다. 내부 전이 요소는 마지막 전자가 f 궤도에 들어갈 때 f 블록을 구성합니다. 각 행을 채우는 f 오비탈의 주양자수는 열 번호에서 2를 뺀 값과 같습니다. 여섯 번째 행에서는 4f 오비탈이 채워지고, 일곱 번째 행에서는 5f 오비탈이 채워집니다. 두 가지 내부 전환 시리즈가 있습니다.

1. 란타넘족 계열: 란타넘족(La)부터 루테튬(Lu)까지
2. 악티나이드 계열: 악티나이드(Ac)부터 로렌슘(Lr)까지

f 전자가 없는 전이 금속임에도 불구하고 란타늄과 악티늄이 계열의 다른 구성원과 유사하기 때문에 포함되어 계열 이름을 지정하는 데 사용됩니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 OpenStax Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms.

원자의 가장 바깥쪽 껍질을 차지하고 있는 전자는 원자가 전자인 반면에 내부 주 에너지 준위를 차지하고 있는 전자는 중심 전자입니다. 나트륨 원자는 네온과 3s1 전자 배치를 가지는데 세 가지 주 에너지 준위를 가집니다. 완전히 채워진 내부 주 에너지 준위는 헬륨 2s2 2p6의 배치를 가지므로 10개의 중심부 전자가 있고 그 다음에 세 번째 껍질에 나머지 1개의 전자가 있음을 나타냅니다.

그러므로 나트륨은 하나의 원자가 전자를 가지고 있습니다. 마찬가지로 염소는 10개의 핵심부 전자와 7개의 원자가 전자를 가지고 있습니다. 원자가 전자는 핵에서 가장 멀리 떨어져 있으며 가장 느슨하게 유지됩니다.

따라서, 원자가 전자는 쉽게 잃거나 공유되기 쉬우며 화학 결합에서 중요한 역할을 합니다. 원자가 전자의 수가 같은 원소들은 현대의 주기율표의 배열에서 볼 수 있듯이 비슷한 화학적 성질을 나타냅니다. 전형 원소의 경우, 문자 그룹 번호는 원자가 전자 수와 같고 행 번호는 해당 원소의 가장 높은 주 양자수와 같습니다.

그룹의 매 원소는 결합을 위한 동일한 수의 전자를 가지고 있습니다. 그룹 아래로 내려가면서 주 양자수는 하나씩 증가하는 반면에 원자가 전자의 수는 그대로 유지됩니다. 주기율표의 왼쪽 끝에 있는 두 개의 열은 s-구역을 구성합니다.

이러한 원소들의 경우 마지막 전자는 s-궤도로 들어갑니다. 수소를 제외한 그룹 1의 원소는 알칼리 금속으로 불리우며 원자가 전자가 한 개뿐 이어서 높은 반응성을 나타냅니다. 그룹 2 원소는 원자가 껍질에 두 개의 전자가 있는 알칼리 토금속입니다.

오른쪽 끝에 있는 여섯 개의 열은 p-구역을 형성합니다. 이 원소들의 원자가 껍질이 s-궤도를 완전히 차지했고 마지막 전자가 p-궤도로 들어갑니다. 그룹 3 A부터 그룹 8 A까지, p 궤도에서의 전자의 수는 하나씩 증가합니다.

비활성 기체는8개의 원자가 전자를 가지는데 헬륨은 예외입니다. s구역에 속하는 헬륨은 2개의 원자가 전자만 가지고 있습니다. d-구역은 s와 p-구역 사이에 있는 10개의 열로 구성됩니다.

이 원소들을 전이 금속이라고 합니다. 마지막 전자는 기본 껍질 번호의 d-궤도로 행 번호보다 하나 적게 들어갑니다. 네 번째 행에서 3-궤도가가 채워지고, 다섯 번째 행에서 네 개의 d-궤도가 채워집니다.

내부 전이 원소는 f-구역을 구성하며 마지막 전자는 f-궤도에 들어갑니다. 매 행에서 채워지는 f-궤도의 주 양자수는 행 번호보다 2만큼 작습니다. 여섯 번째 행에서 네 개의 f-궤도가 채워지고, 일곱 번째 열에서 다섯 개의 f-궤도가 채워집니다.

내부 전이 원소는 란탄 계열과 악티니드 계열에 배열되어 있습니다. 매 구역의 열 번호는 구역의 부준위에서 몇 개의 전자를 채울 수 있는지를 나타냅니다. s-구역의 두 개 열은 두 개의 전자가 있는 s-궤도와 상관관계가 있으며, p-구역의 여섯 개 열은 여섯 개의 전자와 세 개의 p-궤도를 나타내고, d-구역의 열 개 열은 각각 두 개의 전자와 다섯 개의 d-궤도에 해당합니다.

마지막으로, f-구역은 일곱 개의 f-궤도의 최대 용량을 나타내는 열 네 개의 열로 구성됩니다.