구역 (주기율표)
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1. 개요
구역(주기율표)은 전자 배치를 기반으로 원소를 s, p, d, f 블록으로 분류한 것이다. s-블록은 주기율표의 왼쪽, p-블록은 오른쪽, d-블록은 중간에 위치하며, f-블록은 란타넘족과 악티늄족을 포함한다. 각 블록은 고유한 특성을 가지며, s-블록은 전기 양성적인 금속, p-블록은 금속, 비금속, 준금속을 모두 포함하며, d-블록은 다중 산화 상태를 갖는 금속으로 특징지어진다. f-블록은 분리하기 어려운 유사한 금속으로 구성된다. 헬륨은 s-블록에 속하지만 p-블록의 비활성 기체와 유사한 성질을 나타낸다. g-블록은 아직 발견되지 않은 8주기 원소에서 나타날 것으로 예측된다.
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| 구역 (주기율표) | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 주기율표에서 일련의 인접한 족(列)들의 집합 |
| 설명 | 원소들을 그들의 전자 배열에 따라 분류하는 방법 |
| 명명법 | |
| 영어 명칭 | Block |
| 일본어 명칭 | 元素のブロック (겐소노 부록쿠) |
| 한국어 명칭 | 구역 |
| 종류 | |
| 종류 | s-구역 p-구역 d-구역 f-구역 |
2. 블록 명명법
블록 명명법은 전자 배치를 기반으로 하며, 화학적 특성을 기반으로 한 원소 집합과 ''대략적으로'' 일치한다. s-블록과 p-블록은 함께 주족 원소로, d-블록은 전이 금속으로, f-블록은 내부 전이 금속 (란타넘족 (란타넘, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등)과 악티늄족 (악티늄, 우라늄, 아인슈타이늄 등))으로 분류된다.[3]
전자 배치를 기반으로 한 블록 명명법은 화학적 특성을 기반으로 한 원소 집합과 ''대략적으로'' 일치한다. s-블록과 p-블록은 함께 주족 원소로, d-블록은 전이 금속에, f-블록은 내부 전이 금속에 해당하며, 란타넘족(란타넘, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등)과 악티늄족(악티늄, 우라늄, 아인슈타이늄 등)을 포함한다.[3]
주기율표의 구역은 각 블록의 독특한 특성으로 구분된다. s-블록은 수소와 헬륨을 제외하고 매우 전기 양성적인 금속으로 특징지어진다. p-블록은 금속, 비금속, 준금속 등 다양한 원소를 포함하며, 이 중 많은 수가 생명에 필수적이다. d-블록은 다양한 산화 상태를 갖는 금속으로 특징지어진다. f-블록은 화학적 성질이 매우 유사하여 분리하기 어려운 금속들로 구성된다. 원소의 최고 산화 상태, 밀도, 녹는점 등은 원소가 속한 블록과 그 위치에 따라 달라지며, 전기 음성도는 블록 간 및 블록 전체에 걸쳐 체계적으로 분포한다.[3]
12족 원소인 아연, 카드뮴, 수은은 화학적, 물리적으로 다른 d-블록 원소보다 p-블록 원소와 더 유사하여 전이족이 아닌 주족으로 간주되기도 한다. 3족 원소는 s-블록 원소와의 유사성 때문에 가끔 주족 원소로 간주되지만, 주족으로 간주될 때에도 d-블록 원소로 남는다.[3]
f-블록의 그룹(2족과 3족 사이)은 번호가 매겨져 있지 않다.[3]
헬륨은 바깥쪽 (그리고 유일한) 전자가 1s 원자 궤도에 있는 s-블록 원소이지만, 화학적 특성은 18족의 p-블록 비활성 기체와 더 유사하다.[3]
s, p, d, f, g, h, ...와 같은 블록명은 최상위 에너지 준위 전자가 위치하는 궤도(원자 궤도) 이름에서 유래한다. 각각 s 오비탈, p 오비탈, d 오비탈, f 오비탈, g 오비탈, h 오비탈, ...에 해당한다.[3]
3. 주기율표 내 블록 원소의 위치
12족 원소인 아연, 카드뮴, 수은은 화학적, 물리적으로 다른 d-블록 원소보다 p-블록 원소와 더 유사하기 때문에 때때로 전이족이 아닌 주족으로 간주된다. 3족 원소는 s-블록 원소와의 유사성 때문에 가끔 주족 원소로 간주되기도 하지만, d-블록 원소로 남는다.
f-블록의 그룹(열) (2족과 3족 사이)은 번호가 매겨져 있지 않다.
헬륨은 바깥쪽 (그리고 유일한) 전자가 1s 원자 궤도에 있어 s-블록 원소이지만, 화학적 특성은 18족의 p-블록 비활성 기체와 더 유사하다.
8주기에서 5g 오비탈에 의한 g-블록 원소가 나타날 것으로 생각되지만, 8주기 원소는 아직 발견되지 않았다.
4. 각 블록의 특징
블록 명명법은 전자 배치를 기반으로 하며, 화학적 특성에 따른 원소 분류와 대략적으로 일치한다. s-블록과 p-블록은 주족 원소, d-블록은 전이 금속, f-블록은 내부 전이 금속으로 분류된다. f-블록은 란타넘, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등의 란타넘족과 악티늄, 우라늄, 아인슈타이늄 등의 악티늄족을 포함한다.
아연, 카드뮴, 수은과 같은 12족 원소는 화학적, 물리적 성질이 p-블록 원소와 유사하여 전이 금속이 아닌 주족 원소로 간주되기도 한다. 3족 원소 또한 s-블록 원소와의 유사성 때문에 주족 원소로 간주되기도 하지만, d-블록 원소로 분류된다.
f-블록은 2족과 3족 사이에 위치하며, 별도의 족 번호가 없다.
헬륨은 s-블록 원소이지만, 바깥쪽 전자가 1s 원자 궤도에 존재하고, 화학적 특성은 18족 p-블록 비활성 기체와 유사하다.
4. 1. s-블록
s-블록은 s가 "sharp"를 의미하고 방위 각운동량 양자수 0을 가지며, 일반적인 주기율표의 왼쪽에 위치하며 처음 두 열의 원소와 가장 오른쪽 열의 원소인 비금속 수소와 헬륨, 그리고 알칼리 금속(1족)과 알칼리 토금속(2족)으로 구성된다. 이들의 일반적인 원자가 전자 배치는 ''n''s1–2이다. 헬륨은 s-블록 원소이지만 거의 항상 p-블록 원소인 네온 위에 있는 18족의 가장 오른쪽에 위치한다. 표의 각 행에는 두 개의 s-블록 원소가 있다.
(두 번째 주기부터 시작하는) s-블록의 금속은 대부분 부드럽고 일반적으로 녹는점과 끓는점이 낮다. 대부분의 금속은 불꽃에 색상을 부여한다.
화학적으로, 헬륨을 제외한 모든 s-블록 원소는 반응성이 높다. s-블록 금속은 전기 양성이 매우 높으며 비금속, 특히 전기 음성도가 높은 할로겐 비금속과 본질적으로 이온 화합물을 형성하는 경우가 많다.[1]
4. 2. p-블록
p-블록은 표준 주기율표의 오른쪽에 위치하며 13족에서 18족까지의 원소를 포함한다. 일반적인 전자 배치는 ''n''s2 ''n''p1–6이다. 헬륨은 18족의 첫 번째 원소이지만 p-블록에는 포함되지 않는다. 주기율표의 각 행에는 6개의 p-원소가 들어갈 수 있지만, 첫 번째 행은 p-원소가 없어 예외이다.
p-블록은 금속, 비금속, 준금속의 세 가지 유형의 원소를 모두 포함하는 유일한 블록이다. p-블록 원소는 족별로 다음과 같이 설명할 수 있다.
또는 p-블록은 ''전이후 금속'', ''준금속'', ''반응성 비금속''(할로젠 포함), ''비활성 기체''(헬륨 제외)를 포함하는 것으로 설명할 수도 있다.
p-블록 원소는 최외각 전자가 p 오비탈에 있다는 공통점을 가진다. p 오비탈은 중심점에서 균등하게 간격을 둔 각도에서 나오는 6개의 엽 모양으로 구성되며, 최대 6개의 전자를 수용할 수 있다. 따라서 p-블록에는 6개의 족이 있다. p-블록의 첫 번째 족인 13족 원소는 1개의 p-오비탈 전자를 가지며, 14족 원소는 2개의 p-오비탈 전자를 가진다. 이러한 경향은 18족까지 이어져 18족 원소는 6개의 p-오비탈 전자를 가진다.
p-블록에서 첫 번째 행은 옥텟 규칙을 따르는 경향이 강하고, 그 다음 행의 원소는 종종 초원자가를 나타낸다. p-블록 원소는 일반적으로 2의 배수로 변하는 산화 상태를 나타낸다. 족 내에서 원소의 반응성은 일반적으로 아래로 갈수록 감소한다. (헬륨은 네온보다 더 반응성이 높다는 점에서 18족에서 이러한 경향을 따르지 않지만, 헬륨은 실제로 s-블록 원소이므로 p-블록의 경향은 유지된다.)
금속과 비금속 간의 결합은 전기음성도 차이에 따라 달라진다. 전기음성도 차이가 충분히 크면 이온 결합이 가능하다(예: Li3N, NaCl, PbO). 비교적 높은 산화 상태의 금속은 공유 결합 구조를 형성하는 경향이 있으며(예: WF6, OsO4, TiCl4, AlCl3), 낮은 산화 상태에서도 더욱 귀한 금속과 마찬가지이다(예: AuCl, HgCl2). 또한 전기 전도도를 나타내는 일부 금속 산화물도 있다(예: RuO2, ReO3, IrO2). 준금속은 금속과 공유 화합물 또는 합금을 형성하는 경향이 있지만, 가장 전기 양성적인 금속과는 이온 결합도 가능하다(예: Mg2Si).
4. 3. d-블록
d-블록은 "diffuse"(분산)의 d와 방위 각운동량 양자수 2를 의미하며, 주기율표의 중간에 위치하며 3족부터 12족까지의 원소를 포함한다. 이는 4주기에서 시작된다. 4주기부터는 10개의 d-블록 원소에 대한 공간이 있다. 이 원소들의 대부분 또는 전부는 전이 금속으로 알려져 있는데, 이는 1족과 2족의 강한 전기 양성 금속과 13족에서 16족의 약한 전기 양성 금속 사이에서 특성이 전이하는 영역을 차지하기 때문이다. 3족 또는 12족은 d-블록 금속으로 간주되지만, 여러 산화 상태 및 유색 화합물과 같이 전이 금속의 특징적인 화학적 특성을 많이 나타내지 않기 때문에 때로는 전이 금속으로 간주되지 않는다.[1]
d-블록 원소는 모두 금속이며 대부분 하나 이상의 화학적으로 활성인 d-오비탈 전자를 가지고 있다. 서로 다른 d-오비탈 전자의 에너지 차이가 상대적으로 작기 때문에 화학 결합에 참여하는 전자 수는 다양할 수 있다. d-블록 원소는 1의 배수로 다른 두 개 이상의 산화 상태를 나타내는 경향이 있다. 가장 흔한 것은 +2와 +3이다. 크롬, 철, 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 오스뮴은 −4만큼 낮은 형식적 산화수를 가질 수 있으며, 이리듐은 표준 조건에서만 가능하지만 +9의 산화 상태를 달성할 수 있는 독특한 특징을 가지고 있다.[1]
d-오비탈(4개는 네잎 클로버 모양이고, 다섯 번째는 그 주위에 고리가 있는 아령 모양)은 최대 5쌍의 전자를 포함할 수 있다.[1]
4. 4. f-블록
f-블록은 "기본적" 및 방위 각 운동량 양자수 3을 의미하는 f로 표기되며, 표준 18열 주기율표에서는 각주로 나타나지만 32열 전체 너비 표에서는 2족과 3족 사이에 위치한다. 6주기부터는 14개의 f-블록 원소가 들어갈 자리가 있다. 이 원소들은 일반적으로 족의 일부로 간주되지 않는다. 이들은 때때로 내부 전이 금속이라고 불리는데, 이는 4족과 5족에서 d-블록 전이 금속이 s-블록과 p-블록 사이의 전이 다리를 제공하는 것과 같은 방식으로, 6주기 및 7주기에서 s-블록과 d-블록 사이의 전이를 제공하기 때문이다.
f-블록 원소는 란타넘부터 이테르븀까지의 6주기 계열과 악티늄부터 노벨륨까지의 7주기 계열, 이렇게 두 개의 계열로 나뉜다. f-블록 원소는 모두 금속이다. f-궤도 전자는 6주기 f-블록 원소의 화학에서 덜 활성화되어 있지만, 일부 기여를 한다.[5] 이는 5f, 7s, 6d 껍질의 에너지가 상당히 유사한 초기 7주기 f-블록 원소에서 더 활성화된다. 결과적으로 이러한 원소는 전이 금속 유사물과 마찬가지로 화학적 변동성을 보이는 경향이 있다. 약 큐륨부터 시작하는 후기 7주기 f-블록 원소는 6주기 대응물과 더 유사하게 동작한다.
f-블록 원소는 대부분 내부 f-궤도에 하나 이상의 전자를 가지고 있다는 점에서 통합된다. f-궤도 중 여섯 개는 각각 여섯 개의 로브를 가지고 있으며, 일곱 번째는 두 개의 링이 있는 도넛 모양의 아령처럼 보인다. 이들은 최대 7쌍의 전자를 포함할 수 있다. 따라서 블록은 주기율표에서 14개의 열을 차지한다. 두 개의 원소 "족"에서는 수직 주기적 경향을 식별할 수 없으므로 족 번호가 할당되지 않는다.
f-블록 원소의 두 개의 14개 구성원 행은 때때로 란타넘족 및 악티늄족과 혼동되는데, 이는 전자 배치보다는 화학적 특성을 기반으로 하는 원소 집합의 이름이다. 이러한 집합은 각각 루테튬과 로렌슘이 해당 주기의 d-블록의 첫 번째 구성원으로 확장되어 14개가 아닌 15개의 원소를 갖는다.
많은 주기율표에서 f-블록은 한 원소 오른쪽으로 이동하여 란타넘과 악티늄이 d-블록 원소가 되고 Ce–Lu와 Th–Lr이 f-블록을 형성하여 d-블록을 매우 불균등한 두 부분으로 나눈다. 이는 4f 껍질이 루테튬에서만 채워진다고 생각했던 초기 전자 배치의 오류 측정에서 비롯된 것이다.[6] 실제로 이테르븀은 4f 껍질을 완성하며, 이를 기반으로 레프 란다우와 에브게니 리프시츠는 1948년에 루테튬을 f-블록 원소로 올바르게 간주할 수 없다고 생각했다.[7] 그 이후로 물리적, 화학적, 전자적 증거는 f-블록이 La–Yb 및 Ac–No 원소를 포함한다는 것을 압도적으로 뒷받침했으며,[6][8] 이는 여기에 표시된 대로이며 1988년[8] 및 2021년[9]의 국제 순수 및 응용 화학 연합 보고서에서 지원된다.
4. 5. g-블록
g-블록은 방위 각운동량 양자수가 4이며, 원소 121번 근처에서 시작될 것으로 예측된다. g-오비탈은 124번–126번 근처에서부터 바닥 상태에서 채워지기 시작할 것으로 예상되지만 (확장된 주기율표 참조), 4f 및 5f 오비탈과 유사하게 이미 원소 121에서 화학적으로 참여할 만큼 충분히 낮은 에너지를 가질 가능성이 있다.[10]
이전 줄의 경향이 계속된다면 g-블록은 18개의 원소를 갖게 될 것이다. 그러나 계산 결과에 따르면 8주기에서 주기성이 매우 강하게 흐려져 개별 블록을 구분하기 어려워진다. 8주기는 이전 줄의 경향을 정확히 따르지 않을 가능성이 높다.[11]
8주기에서 5g 오비탈에 의한 g-블록 원소가 나타날 것으로 생각되지만, 8주기 원소는 아직 발견되지 않았다.
참조
[1]
학술지
The positions of lanthanum (actinium) and lutetium (lawrencium) in the periodic table: an update
2015-03-21
[2]
서적
La classification hélicoïdale des éléments chimiques
Beauvais
1928
[3]
학술지
Tetrahedral and spherical representations of the periodic system
2017-11-07
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학술지
Metals and non-metals in the periodic table
2020
[5]
서적
Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths
2016
[6]
학술지
The Positions of Lanthanum (Actinium) and Lutetium (Lawrencium) in the Periodic Table
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서적
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New Notations in the Periodic Table
https://www.iupac.or[...]
2012-03-24
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Provisional Report on Discussions on Group 3 of the Periodic Table
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2021-04-09
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Electronic Configurations of Superheavy Elements
https://journals.jps[...]
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학술지
Recent attempts to change the periodic table
2020
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서적
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1928
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Periodic Table of the Elements（Janet form）
http://www.ipgp.fr/~[...]
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1928
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