이 실험 소개
나트륨과 칼륨은 왜 그렇게 비슷하게 반응할까요? 주기율표는 왜 독특한 모양을 하고 있을까요? 그 답은 원자핵 주위의 전자 배열에 있습니다. 전자는 정해진 순서에 따라 에너지 준위와 오비탈을 채우며, 하나의 오비탈에는 스핀이 반대인 전자가 두 개까지 들어갑니다. 또한 에너지가 같은 오비탈들은 전자가 짝을 이루기 전에 각각 하나씩 채워집니다. 양성자를 하나씩 더해 수소부터 크립톤까지 원자를 만들어 보고, 껍질 모형과 오비탈 모형을 비교하며, 이온을 만들어 어떤 전자가 먼저 빠져나가는지 알아보세요.
학습 목표
- 원소 1~36의 전자 배치를 전체 표기와 비활성 기체 약식 표기로 쓰기
- 쌓음 원리, 파울리 배타 원리, 훈트 규칙 적용하기
- 껍질 배열 2, 8, 8을 전체 부껍질 배열과 연결하기
- 주기율표의 s, p, d 블록이 전자 채움 순서에서 어떻게 결정되는지 설명하세요
- 전이 금속 이온을 포함한 이온의 전자 배치를 쓰세요
사용 방법
- 1Build up을 누르고 수소부터 크립톤까지 원자를 살펴보세요. 3p 다음에는 어떤 부껍질이 채워지며, 왜 3d가 아닐까요?
- 2질소에서 멈추세요. 3개의 2p 전자는 상자에 어떻게 배열되나요? 홀전자는 몇 개인가요? 산소와 비교해 보세요.
- 3리튬, 나트륨, 칼륨의 전자 배치를 비교해 보세요. 이들의 공통점은 무엇이며, 그것은 화학적 성질을 어떻게 설명하나요?
- 4아래쪽 표를 보세요. 현재 원소는 어느 블록에 속하며, 이는 마지막으로 채워지는 부껍질과 어떻게 일치하나요?
- 5크롬과 구리를 살펴보세요. 단순한 규칙과 어떻게 다른가요? 설명을 읽어 보세요.
- 6Na⁺, Cl⁻, O²⁻를 만들어 보세요. 각각 어떤 비활성 기체의 전자 배치에 도달하나요?
- 7Fe²⁺와 Fe³⁺를 만들어 보세요. 어떤 전자가 먼저 빠져나가나요? Fe³⁺가 특히 안정한 이유는 무엇인가요?
- 8껍질 순서와 채움 순서 사이를 전환해 보세요. 여러분의 시험 기관에서는 어떤 표기법을 사용하나요?
모델
가정
- 기체 상태의 자유 원자와 이온의 바닥 상태입니다. 원소 1부터 36까지만 다룹니다.
- 중성 원자는 n + l 채움 순서를 따르며, 이 범위에서 유일한 예외는 크로뮴(3d⁵ 4s¹)과 구리(3d¹⁰ 4s¹)입니다.
- 양이온은 가장 바깥쪽 껍질의 전자를 먼저 잃으며, 같은 껍질에서는 p 전자를 s 전자보다 먼저 잃습니다. 음이온은 채움 순서에 따라 전자를 얻습니다.
- 오비탈 상자 그림은 전자 배치를 기록하기 위한 도식입니다. 화살표는 스핀의 위쪽과 아래쪽 방향을 나타내며, 실제 운동을 나타내지는 않습니다.
수업에서 해 보기
- Q1황과 S²⁻의 전체 전자 배치를 쓰세요.
- Q2어떤 원소의 전자 배치가 [Ar] 3d³ 4s²입니다. 원소의 이름과 족을 쓰세요.
- Q3망가니즈 원자에는 홀전자가 몇 개 있나요? Mn²⁺에는 몇 개 있나요?
- Q4칼륨과 칼슘에서는 왜 3d보다 4s가 먼저 채워지지만, 스칸듐이 Sc³⁺를 형성할 때는 왜 4s 전자를 먼저 잃을까요?
- Q5같은 족에 있는 원소들은 왜 비슷한 화학적 성질을 가지나요?
자주 묻는 질문
4s는 3d 앞에 써야 하나요, 뒤에 써야 하나요?
두 가지 표기법 모두 사용됩니다. 부껍질을 껍질 순서로 쓰는 방식([Ar] 3d⁶ 4s²)은 IUPAC 표기법이며 많은 시험 기관에서 사용합니다. 채워지는 순서대로 쓰는 방식([Ar] 4s² 3d⁶)은 전자가 추가된 순서를 보여 줍니다. 수업에서 어떤 표기법을 사용하는지 확인하세요. 이 실습에서는 두 가지를 모두 보여 줍니다.
왜 2, 8, 8 규칙만으로는 설명이 충분하지 않나요?
세 번째 껍질은 전자 18개를 수용할 수 있지만, 4s의 에너지가 3d보다 낮기 때문에 세 번째 껍질이 다 채워지기 전에 칼륨부터 네 번째 껍질이 채워지기 시작합니다. 단순한 2, 8, 8 패턴은 칼슘까지만 적용됩니다.
주기율표 아래쪽에도 예외가 더 있나요?
네. 몰리브데넘, 은, 금을 비롯한 여러 원소도 단순한 순서를 따르지 않습니다. 또한 무거운 원소는 에너지 차이가 매우 작아 계산 없이는 전자 배치를 예측하기 어렵습니다.