제1이온화에너지가 주기성을 띨 때 예외가 있는 이유가 뭔가요?
예를 들어 CNO 순서로 원자번호가 증가한다면, 이온화에너지가 점차 증가해야 하는데, 왜 질소에서 산소로 진행 할 때 이온화에너지가 소분 감소하는 것인가요?
안녕하세요. 이충흔 과학전문가입니다.
제1이온화에너지는 원자가 전자를 하나 떼어내어 양이온을 만들기 위해 필요한 에너지입니다. 주기표를 살펴보면, 원자번호 1에서 20까지의 원자들의 이온화에너지는 같은 주기에서는 원자번호가 커질수록 이온화에너지가 대체로 증가함을 알 수 있습니다. 하지만, 이런 경향성에도 불구하고 두 가지 예외가 있습니다.
2족과 13족: 2족에서 13족으로 갈 때 이온화에너지가 갑자기 감소합니다. 예를 들어, 베릴륨(Be)과 붕소(B)는 둘 다 전자껍질이 2개입니다. 그러나 Be은 최외각 전자가 2S에만 존재하고, B는 최외각 전자가 2S뿐만 아니라 2P에도 존재합니다. 2P 오비탈은 상대적으로 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있어 전자를 떼어내는 것이 쉽습니다. 따라서 B의 이온화 에너지가 Be보다 작습니다.
15족과 16족: 15족에서 16족으로 갈 때도 이온화에너지가 갑자기 감소합니다. 질소(N)와 산소(O)는 둘 다 전자껍질이 2개입니다. N은 2P에 전자가 3개 있어서 모든 전자가 홀전자이기 때문에 안정되어 있습니다. 그러나 O는 2P에 전자가 4개 있는데, 한 방향의 2P 오비탈에는 전자가 2개가 들어갑니다. O에서 전자를 떼어내는 것이 더 쉽기 때문에 O의 이온화 에너지가 N보다 작습니다.
이러한 예외는 전자배치와 오비탈 구조에 기인하며, 주기성 표를 이해하는 데 도움이 됩니다.
안녕하세요. 김철승 과학전문가입니다.
CNO 순서에서 원자번호가
증가하면 일반적으로 이온화
에너지가 점차 증가해야 합니다.
원자의 핵전하가 증가하면 전자를 끌어당기는 힘이 커져
이온화 에너지가 증가합니다.
전자 배치 이온화 에너지에 영향을 미칩니다.
질소 1s² 2s² 2p³
산소 1s² 2s² 2p⁴
질소의 경우 마지막 전자는
2p³ 오비탈에 존재하며 짝
지어지지 않은 전자(홀 전자)가 하나 있습니다.
산소는 마지막 전자들이 2p⁴ 오비탈에 존재하며
두 개의 홀 전자가 서로 페어링(pairing)되어 있습니다.
페어링된 전자는 서로 반발력을 일으켜 핵과의 인력을
약화시킵니다.
산소는 질소에 비해 핵과의 인력이
약해져 첫 번째 전자를 떼어내는 데
필요한 에너지가 낮아집니다.
이것을 페어링 효과라고 합니다.
산소의 첫 번째 이온화 에너지가
질소보다 낮은 이유
는 페어링 효과 때문입니다.
짝지어진 전자의 반발력이 핵과의 인력을
약화시켜 첫 번째 전자를 떼어내는 데
필요한 에너지를 감소시키는 것입니다.
두 번째 이온화 에너지부터는 페어링 효과가
사라지고 핵전하의 영향이 지배적이 되어
산소의 이온화 에너지가 질소보다 높아집니다.
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