전이 금속 원소들의 원자 반지름 변화가 일반적인 주기적 경향과 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 전형 원소에서는 주기율표에서 같은 주기 내에서는 오른쪽으로 갈수록 원자 반지름이 작아지고 같은 족 내에서는 아래로 내려갈수록 점점 더 커지는데요, 전이 금속 원소들의 원자 반지름 변화가 일반적인 주기적 경향과 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 일반적인 전형 원소에서는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자번호가 커지면서 핵전하가 증가하고, 차폐 효과가 크게 변하지 않으므로 유효 핵전하가 커져 원자 반지름이 점점 작아지는 뚜렷한 경향을 보이지만 전이 금속의 경우에는 이 경향이 일반적인 전형 원소와는 조금 다르게 나타나는데요, 우선 전이 금속에서는 전자가 d 오비탈(n-1 주양자수)에 들어갑니다. 예를 들어, 4주기 전이 금속(Sc~Zn)은 4s 오비탈이 채워진 뒤 3d 오비탈에 전자가 채워지는데요, 즉 이때 주기적으로 원자번호가 증가할 때 전형 원소는 바깥쪽 주양자수에 전자가 늘어나지만, 전이 금속은 상대적으로 내부 껍질(n-1d)에 전자가 채워지는 것입니다.
또한 d 전자들은 차폐 효과가 s나 p 전자만큼 강하지 않은데요, 따라서 핵전하가 증가해도 d 전자들이 이를 충분히 가려주지 못해, 바깥 전자가 점점 더 강하게 끌려가게 되며 그 결과, 전이 금속에서 원자 반지름은 오른쪽으로 갈수록 크게 줄어들지는 않고 완만하게 감소합니다. 실제로 전이 금속에서는 주기 중간으로 갈수록(Cr → Mn → Fe → Co) d 전자가 늘어나면서 전자-전자 반발이 커져 반지름 감소가 둔화되기도 하는데요, 하지만 유효 핵전하가 계속 증가하기 때문에, 전체적으로는 약간 줄어드는 추세를 유지합니다. 이 때문에 전형 원소처럼 급격히 줄지 않고 거의 일정하거나 완만하게 줄어드는 경향을 보이게 됩니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
저도 주기율표를 배우면서 전이금속의 특징에 대해서 저도 비슷한 궁금증을 가졌었습니다.
이는 전이금속이 전이금속 외 물질들이 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자핵의 수가 많아지기 때문에 원자의 반지름을 줄어들게 되는데 전이금속들은 반지름이 거의 일정하게 유지되기도 합니다.
결론부터 말씀드리면 이는 d오비탈의 가리움 효과 때문입니다
전이금속에서도 Sc 에서 시작하여 오른쪽으로 갈때 처음에는 원자핵의 수가 증가하기에 반지름은 작아집니다. 하지만 Ni 쪽에 가서는 약간 증가하는데 이는 체외각 전자가 채워지는 장소가 d 오비탈에 채워지기 때문입니다.
이는 원자번호가 증가할수록 원자핵이 증가하여 인력이 증가해야 하나 채워지는 전자가 d 오비탈의 경우 원자핵과 가까이 있는 4s 오비탈에 있는 전자들 때문에 가리움 효과가 발생하여 상대적으로 원자핵의 인력이 적게 작게 작용하여 원자핵의 반지름이 약간 증가하게 됩니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)
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