6. 주기율표(Periodic Table) 읽는법 (1) - 성질에 따른 분류

주기율표는 달력과 같다.

농사를 짓는 농부에게 가장 중요한 것 중 하나는 농작물이 잘 자라는 시기를 정확히 아는 것입니다. 파종을 할 시기를 놓치면 한해 농사를 망치기 때문입니다. 달력이 발명되기 이전의 농부들은 날씨와 별자리 등의 천문정보를 보는 법으로 이 시기를 예측하였지만, 달력이 발명된 이후에는 정확한 날짜를 바탕으로 계획과 일의 시작을 결정할 수 있게 되었습니다.

화학도 마찬가지입니다. 주기율표(Periodic table)가 발명되기 이전에는 수십가지의 원소들의 성질을 개별적으로 파악하고 사용해야 했지만, 주기율표가 발명된 이후에는 목표가 되는 원소가 어떠한 성질을 지닐 것인지에 대해 쉽게 예측하고 또 적용할 수 있게 되었습니다. 그래서 주기율표는 농부의 달력과 같이 화학자들에게는 중요한 지표가 됩니다. 허나 주기율표를 보는 법을 잘 모른다면 그 유용성이 조금 떨어 질 수 있습니다. 이번 시간에는 주기율표 읽는 법에 대해 간단히 다뤄보겠습니다.

<사진1. 화학성질을 기준으로 나눈 주기율표>

사진1은 일반적으로 흔히 볼 수 있는 전형적인 주기율표의 모습입니다. 주기율표는 가로로 1족부터 18족까지 그리고 세로로 1주기부터 7주기까지로 나누어져 있는 테이블에 각 원소들이 원자번호순서대로 배치되어 있습니다. 전형적인 주기율표에서는 크게 6가지만 알고 있으면 일반화학 수준에서는 큰 문제가 없습니다.

1. 족과 주기의 개념

먼저 족(Group)과 주기(period)가 어떻게 이루어지나를 알아야합니다. 이는 원자의 전자배치(Electron configuration)을 안다는 가정하에 시작합니다. 전자배치는 양자수(Quantum number)와 이와 관련한 궤도이론(Orbital theory)를 이해하고 있으면 좋지만 모른다면 일단 여기까지만 알고 시작합시다. 

족의 숫자는 이 원자의 최외각 전자(Peripheral electron)의 개수와 같습니다. 1족 원소는 최외각 전자가 1개, 2족 원소는 2개...18족원소는 8개로 전자로 구성되어 있습니다(3족에서 12족은 제외하고 13족부터 18족이 3개 부터 8개의 최외각 전자를 가진다). 일단 일반적으로 최외각 전자는 8개가 되면 가장 안정하고, 1개일때는 전자를 잃는 성질이 크며, 7개일때는 얻으려는 성질이 큽니다. 따라서 18족원소들은 굉장히 안정하며 1~7족은 나름대로의 반응성을 지닙니다.

그리고 주기는 주양자수(Principal quantum number)에 따른 궤도의 레벨에 따라 결정되는데 이는 나중에 궤도이론을 다룰 때 자세히 다루도록 하고 주기적으로 같은 화학적 성질이 나타나는 순서라고 이해하시면 될 듯합니다.

2. 비활성 기체(inert gas)

비활성 기체는 8족의 원소들을 말하며 위에서 설명한대로 8개의 전자를 갖고 있기 때문에 화학적으로 너무나 안정한 특성을 지닙니다. 화학적으로 안정한 특성이라는 것은 다른 원소들과 거의 반응을 하지 않는 다는 것을 의미하며, 1960년대 까지는 완벽하게 반응하지 않는다고 생각하였습니다. 화학적으로 반응을 하지 않으니 무색, 무취의 특징을 갖고 있습니다.

3. 알칼리 금속(Alkali metal)

알칼리 금속은 1족 원소들을 칭하며, 은백색의 무른 금속들로 반응성이 크다는 특징이 있습니다. 1족은 최외각 전자가 1개이기 때문에 전자를 잃고 이온화(Ionization)되거나 산화되는 성질이 강한 원소들입니다. 주기가 커질수록 원자의 크기가 커지기 때문에 큰 원자에서 전자 한개에 대한 영향력이 적어지기 때문에 전자를 잃으려는 성질이 더욱 강해지므로 주기율표에서 내려갈 수록 반응성이 커집니다.

4. 알칼리토 금속(Alkali earth metal)

알칼리토 금속은 알칼리금속과 비슷하지만 알칼리 금속보다 훨씬 약한 반응성을 지니는데 이 또한 최외각 전자의 수와 전자궤도와 관련이 있습니다. 이는 전자궤도를 다룬 후에 다시 다루도록 하겠습니다.

5. 할로겐(Halogen)

7족 원소들을 말하며, 전자를 8개 얻고 안정해지기까지 1개의 전자가 부족하므로 전자를 얻어 음이온이 되려하는 성질이 강하며, 환원되려는 성질도 강합니다. 할로겐 원소는 주기가 작을때는 기체의 특징을 보이지만 주기가 커질 수록 고체에서 기체로 되려하는 성질이 강합니다. 높은 반응성 때문에 화학분야에서 아주 중요한 원소들이기도 합니다.

6. 전이금속(Transition metal)

전이금속은 3족부터 12족의 d궤도를 채우기 시작하는 금속원소들을 말하는데 전이금속의 뜻은 초창기의 주기율표에 의한 원소의 분류에서 1~2, 13~18족 원소들은 족들마다 화학특성이 극명하게 나타나므로 이러한 원소들을 전형원소(Typical element)라 불렀는데, 그 중간 족에 위치한 3~12족 원소들이 전형원소들의 중간역할을 한다고 하여 전이금속이라는 의미가 붙여졌습니다. 우리가 특정한 두개의 집단을 이어주는 무엇을 중간다리역할을 한다고 표현하는 것과 비슷한 어원인것 같습니다. 그러나 현재와서는 전형원소라는 말을 잘 쓰이지 않게되었고 전이금속들이 전자궤도의 d궤도에 전자를 갖고 있는 원소들임이 밝혀져서 전이금속이라는 이름이 쌩뚱맞게 등장하는 듯이 보이게 되었습니다.

화학원소의 특성별로 나뉘는 분류는 위 6가지만 알고 있으면 큰 문제는 없습니다만 더 자세히 주기율표를 이해하기 위해서는 위에 언급된 전자궤도이론을 알아야 합니다. 전자궤도 이론을 알고나면 더 쉽게 주기율표를 이해할 수 있으므로 다음 시간에는 전자궤도이론에 대해 다루도록 하겠습니다.