원자가 전자
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1. 개요
원자가 전자는 화학 결합에 참여하는 원자의 최외각 전자 궤도에 있는 전자를 의미한다. 원자가 전자의 수는 원소가 속한 주기율표의 족에 따라 결정되며, 3~12족(전이 금속)을 제외하고 족 번호의 일의 자리 숫자가 원자가 전자 수를 나타낸다. 원자가 전자는 원소의 화학적 성질을 결정하며, 금속, 비금속, 반도체의 전기 전도도와도 관련이 있다. 금속은 일반적으로 적은 수의 원자가 전자를 가지며 전기 전도성이 높고, 비금속은 원자가 전자를 채우려는 경향이 있어 절연체로 작용한다. 반면 반도체는 금속과 비금속의 중간 정도의 전도성을 보이며, 온도에 따라 전도도가 변화한다.
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| 원자가 전자 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 원자가 전자 |
| 영어 명칭 | valence electron |
| 일본어 명칭 | 価電子 (かでんし) |
| 설명 | 원자의 가장 바깥 전자 껍질에 있는 전자 |
| 특징 | 화학 결합에 참여 원자의 화학적 성질 결정 |
| 관련 개념 | 원자가 전자 껍질 오비탈 이온화 에너지 전기음성도 |
| 전자 배치 | |
| 최외각 전자 껍질 | 가장 바깥쪽의 전자 껍질 |
| 전자 수 | 1개에서 8개 |
| 규칙 | 옥텟 규칙 (8개) 이중항 규칙 (2개) |
| 화학적 성질 | |
| 반응성 | 원자가 전자의 수에 따라 결정 |
| 결합 | 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 등 다양한 결합 형성 |
| 주기성 | 원자가 전자 수에 따라 주기율표 상에서 유사한 화학적 성질 나타냄 |
| 응용 | |
| 분야 | 화학 재료 과학 전자 공학 |
| 추가 정보 | |
| 일본어 표기 | 価電子 (かでんし) |
| 로마자 표기 | kade nshi |
2. 원자가 전자의 수
원소의 원자가 전자 수는 주기율표의 족을 통해 파악할 수 있다. 3~12족(전이 금속)을 제외하고, 족 번호의 일의 자리 숫자는 그 족에 속한 원소의 중성 원자에 몇 개의 원자가 전자가 결합하는지를 나타낸다. 하지만 원자가 전자와 최외각전자는 같은 것이 아니다. 20번인 칼슘(Ca)까지는 원자가 전자와 최외각전자가 일치하지만, 그 이후로는 달라진다.
헬륨을 제외한 18족 원소(비활성 기체)의 최외각전자 수는 8개이다.[15][16][17]
| 주기율표 족 | 최외각전자(≠원자가 전자) |
|---|---|
| 1족 (I) (알칼리 금속) | 1 |
| 2족 (II) (알칼리 토금속) | 2 |
| 란타넘족과 악티늄족 | 3–16[18] |
| 3–12족 (전이금속) | 3–12[19] |
| 13족 (III) (붕소족) | 3 |
| 14족 (IV) (탄소족) | 4 |
| 15족 (V) (닉토젠 또는 질소족) | 5 |
| 16족 (VI) (칼코젠 또는 산소족) | 6 |
| 17족 (VII) (할로젠) | 7 |
| 18족 (VIII 또는 0) (비활성 기체) | 8 (단, 헬륨은 2개)[15][16][17] |
2. 1. 주기율표와 원자가 전자
원소의 원자가 전자 수는 주기율표의 족(세로줄)을 통해 알 수 있다. 3~12족(전이 금속)을 제외하고, 족 번호의 일의 자리 숫자는 그 족에 속한 원소의 중성 원자에 몇 개의 원자가 전자가 결합하는지를 나타낸다.| 주기율표 족 | 원자가 전자 수 |
|---|---|
| 1족 (알칼리 금속) | 1 |
| 2족 (알칼리 토금속) | 2 |
| 란타넘족과 악티늄족 | 3–16[18] |
| 3–12족 (전이금속) | 3–12[19] |
| 13족 (붕소족) | 3 |
| 14족 (탄소족) | 4 |
| 15족 (닉토젠 또는 질소족) | 5 |
| 16족 (칼코젠 또는 산소족) | 6 |
| 17족 (할로젠) | 7 |
| 18족 (비활성 기체) | 8 (단, 헬륨은 2개)[15][16][17] |
헬륨은 18족이지만, 1s2 전자 배치를 가지고 두 개의 원자가 전자를 가지며, ''n''s2 원자가 배치를 가진 알칼리 토금속과 유사한 점이 있다. 하지만 헬륨의 껍질은 완전히 채워져 있기 때문에 화학적으로 매우 불활성이며, 일반적으로 다른 비활성 기체와 함께 18족에 위치한다.
2. 2. 전이 금속의 원자가 전자
전이 금속은 안쪽 전자 껍질(d 오비탈)에도 전자가 채워질 수 있어, 원자가 전자의 수가 주기율표 족 번호와 항상 일치하지 않는다.[19] 이러한 특징으로 인해 전이 금속은 다양한 산화 상태를 가질 수 있다. 3–12족(전이금속)의 최외각전자는 3–12개이다.[19]3. 전자 배치와 원자가 전자
원자의 화학적 반응성을 결정하는 원자가 전자는 가장 높은 에너지를 가진 전자들이다.
주족 원소의 경우, 원자가 전자는 가장 높은 주양자수 ''n''을 갖는 전자껍질에 있는 전자로 정의된다.[1] 따라서, 주족 원소가 가질 수 있는 원자가 전자의 수는 간단한 방식으로 전자 배치에 의존한다. 예를 들어, 인(P)의 전자 배치는 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3이므로 5개의 원자가 전자(3s2 3p3)가 있으며, 이는 PF5와 같이 P의 최대 원자가가 5임을 나타낸다. 이 배치는 일반적으로 [Ne] 3s2 3p3으로 약칭되며, 여기서 [Ne]는 희유 기체 네온과 동일한 배치를 갖는 내핵 전자를 나타낸다.
하지만, 전이 원소는 주족 원소와 다르게 정의된다. 란타넘족과 악티늄족의 경우도 마찬가지로 원자가 전자를 가진다.[18]
내부 전이 금속의 (''n''−2)f 에너지 준위에 대해서도 유사한 패턴이 적용된다.
3. 1. 주족 원소의 전자 배치
원소의 원자가 전자의 개수는 원소가 분류되는 주기율표 족에 의해 결정될 수 있다. 3~12족(전이 금속)을 제외하고, 족 번호의 일의 자리 숫자는 그 족의 원소의 중성 원자에 몇 개의 원자가 전자가 결합하는지를 나타낸다. 하지만 원자가 전자와 최외각전자가 같은 것은 아니다. 20번인 칼슘(Ca)까지는 원자가 전자와 최외각전자가 일치하지만, 뒤로 가면 달라진다. 그러기에 원자가 전자와 최외각전자가 다르다는 것을 알아두어야 한다.헬륨의 최외각전자 수는 2이며, 헬륨을 제외한 18족 원소(비활성 기체)의 최외각전자 수는 8이다.[15][16][17]
| 주기율표 족 | 최외각전자(≠원자가 전자) |
|---|---|
| 1족 (I) (알칼리 금속) | 1 |
| 2족 (II) (알칼리 토금속) | 2 |
| 13족 (III) (붕소족) | 3 |
| 14족 (IV) (탄소족) | 4 |
| 15족 (V) (닉토젠) | 5 |
| 16족 (VI) (칼코젠) | 6 |
| 17족 (VII) (할로젠) | 7 |
| 18족 (VIII 또는 0) (비활성 기체) | 8 (단, 헬륨은 2개)[15][16][17] |
3. 2. 전이 금속의 전자 배치
전이 원소는 ''n'' 준위와 에너지가 매우 가까운 (''n''−1)d 에너지 준위를 갖는다.[2] 따라서 주족 원소와는 달리, 전이 금속의 원자가 전자는 희유 기체 내핵 외부에 있는 전자로 정의된다.[3] 일반적으로 전이 금속의 d 전자는 최외각 껍질에 있지 않더라도 원자가 전자로 작용한다. 예를 들어, 망가니즈(Mn)의 전자 배치는 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5이며, 이는 [Ar] 4s2 3d5로 약칭되며, 여기서 [Ar]는 희유 기체 아르곤과 동일한 내핵 배치를 나타낸다. 이 원자에서 3d 전자는 4s 전자와 비슷한 에너지를 가지며, 3s 또는 3p 전자보다 훨씬 높은 에너지를 갖는다. 사실상, 아르곤과 같은 내핵 외부에는 7개의 원자가 전자(4s2 3d5)가 있을 수 있으며, 이는 망가니즈가 산화 상태가 +7(예: 퍼망가네이트 이온)까지 높을 수 있다는 화학적 사실과 일치한다.각 전이 금속 계열에서 오른쪽으로 갈수록 d 부껍질의 전자 에너지는 낮아지고 그러한 전자가 원자가 특성을 갖는 정도는 줄어든다. 따라서 니켈 원자는 원칙적으로 10개의 원자가 전자(4s2 3d8)를 가지지만, 그 산화 상태는 4를 초과하지 않는다. 아연의 경우, 3d 부껍질은 모든 알려진 화합물에서 완전하지만, 일부 화합물에서는 원자가 띠에 기여한다.[4]
d 전자 수는 전이 금속의 화학을 이해하는 또 다른 도구이다.
4. 원자가 껍질
(주족 원소)
(전이 금속)
(란타넘족 원소 및 악티늄족 원소)