Stefano Stefano   39-08-02 00:00 이 질문의 주제는 물질의 기본을 이루는 원자구조와 양자역학에 관한 내용이라서 물리화학, 무기화학, 고체물리, 일반화학 등에서 공히 취급되고 있는 주제이지만 아주 이해하기 어려운 부분인 것 같습니다. 필자가 60년대 공부할 때만 해도 이 내용은 무기화학에서 잠깐 정성적으로만 언급하고 지나갔는데 요즘엔 대학일반화학에서도 다루고 있더군요. 60~70년대에 이에 관한연구가 본격화 되었고 특히 반도체와 고체물리분야 연구가 많이 이루어지고 있는 요즘엔 원자크기와 전자의 에너지를 수학적으로 해석하여 나타내고 있는 듯 합니다. 핵물리는 전기력, 자기력, 만유인력, 등이 모두 함께 작용하는 아주 복잡한 시스템인것 같습니다.     (1) 첫번째 질문인 란타나이드 수축현상을 이해하려면 먼저 전이금속이야기가 언급되어야 할 것입니다. 전이금속이 나타는 이유는 원자내에 위치하는 전자는 주전자궤도(주양자, K,L,M, 등)내에서 여러 보조전자궤도(궤도양자, s,p,d,f, 등)에 머무르게 되는데 최외곽 주전자궤도에 속하면서 보조전자궤도(orbit)에 있는 전자의 에너지가 내곽의 보조전자궤도에 있는 전자가 가진 에너지 보다 낮기 때문입니다.     이를 좀 쉽게 설명하면 원자번호가 하나씩 증가하면 원자핵속에 양자의 수가 하나씩 늘어나고 동시에 핵의 주위를 돌아다니는 전자의 수효가 하나씩 늘어나게 되면서 새로운 원소가 됩니다.  이 때 전자가 주궤도인 K,L,M, 등(principal quantom number=1,2,3,..)에 차곡차곡 들어가게 되어있습니다. 이때 각 주궤도안에 s,p,d,f,(orbital quantom number = 0,1,2,3)중에서도 에너지가 낮은 순서대로 전자가 배치됩니다.  내부 궤도가 채워지면 다음 궤도에 전자가 채워져 나갑니다. 그러나 전자수효가 많아지면서 내부 궤도가 채워지지 않은채 바깥 궤도에 먼저 전자가 채워지는 경우가 발생합니다. 외곽의 전자의 에너지 수준이 내부의 전자의 그것보다 낮기 때문입니다.  란타나이드 계 전이원소는 특히 안쪽 안쪽 (4f)의 보조궤도를 채우지 않고 5s, 5p 위치에 전자가 배치됩니다. 더구나 5d, 5f도 대충 건너뛰고 6s 위치에 전자가 2개 먼저 배치됩니다. Lanthanide Series Metal들은 주궤도 O,P에 위치하는 전자수효는 동일하고 4d orbit에 배치되는 전자의 수효만 달라집니다.  원자가는 6s,5d에 각각 배치된 2개 1개가 평면구조의 혼성궤도를 이루면서 +3가를 나타냅니다. 따라서 화학적 성질은 거의 동일합니다. 반면 내부 4d궤도에 전자가 하나씩 더 채워지고 원자핵에도 양자가 하나씩 늘어나면서 핵과 전자간의 인력이 늘어나 원자부피는 줄어들게 됩니다. 이를 Lanthanide contraction 현상이라고 하는 것이지요. 일반적으로 전자가 하나 늘어나면 전자간의 반발에 의해 원자부피가 늘어나게 되는데 란타나이드 금속들은 이와 반대의 현상이 나타난 것입니다.  (2) 두번째 질문은 2주기 원소들이 다른 주기 원소와 다른 점은 원자크기가 작고 d orbital이 존재하지 않기 때문에 전자들이 핵에 구속되는 경향이 커서 이온결합보다는 공유결합이 많고, p orbital의 전자도 활동반경이 작아서 ∏결합이 잘 일어나지 않기 때문일 때문일 것입니다.  3주기 원소가 대표성을 가진다는 의미는 같은 그룹에서 2주기는 위와 같이 극성이 심하고 반대로 5,6, 주기에 갈수록 극성이 덜하며 전이금속의 특성을 가지기 때문에 결과적으로 3주기의 성질이 해당그룹의 성질을 대표적으로 나타내기 때문일 것입니다.  답변의 글이 되었는지 의심스럽습니다.   이 질문의 주제는 물질의 기본을 이루는 원자구조와 양자역학에 관한 내용이라서 물리화학, 무기화학, 고체물리, 일반화학 등에서 공히 취급되고 있는 주제이지만 아주 이해하기 어려운 부분인 것 같습니다. 필자가 60년대 공부할 때만 해도 이 내용은 무기화학에서 잠깐 정성적으로만 언급하고 지나갔는데 요즘엔 대학일반화학에서도 다루고 있더군요. 60~70년대에 이에 관한연구가 본격화 되었고 특히 반도체와 고체물리분야 연구가 많이 이루어지고 있는 요즘엔 원자크기와 전자의 에너지를 수학적으로 해석하여 나타내고 있는 듯 합니다. 핵물리는 전기력, 자기력, 만유인력, 등이 모두 함께 작용하는 아주 복잡한 시스템인것 같습니다. (1) 첫번째 질문인 란타나이드 수축현상을 이해하려면 먼저 전이금속이야기가 언급되어야 할 것입니다. 전이금속이 나타는 이유는 원자내에 위치하는 전자는 주전자궤도(주양자, K,L,M, 등)내에서 여러 보조전자궤도(궤도양자, s,p,d,f, 등)에 머무르게 되는데 최외곽 주전자궤도에 속하면서 보조전자궤도(orbit)에 있는 전자의 에너지가 내곽의 보조전자궤도에 있는 전자가 가진 에너지 보다 낮기 때문입니다. 이를 좀 쉽게 설명하면 원자번호가 하나씩 증가하면 원자핵속에 양자의 수가 하나씩 늘어나고 동시에 핵의 주위를 돌아다니는 전자의 수효가 하나씩 늘어나게 되면서 새로운 원소가 됩니다. 이 때 전자가 주궤도인 K,L,M, 등(principal quantom number=1,2,3,..)에 차곡차곡 들어가게 되어있습니다. 이때 각 주궤도안에 s,p,d,f,(orbital quantom number = 0,1,2,3)중에서도 에너지가 낮은 순서대로 전자가 배치됩니다. 내부 궤도가 채워지면 다음 궤도에 전자가 채워져 나갑니다. 그러나 전자수효가 많아지면서 내부 궤도가 채워지지 않은채 바깥 궤도에 먼저 전자가 채워지는 경우가 발생합니다. 외곽의 전자의 에너지 수준이 내부의 전자의 그것보다 낮기 때문입니다. 란타나이드 계 전이원소는 특히 안쪽 안쪽 (4f)의 보조궤도를 채우지 않고 5s, 5p 위치에 전자가 배치됩니다. 더구나 5d, 5f도 대충 건너뛰고 6s 위치에 전자가 2개 먼저 배치됩니다. Lanthanide Series Metal들은 주궤도 O,P에 위치하는 전자수효는 동일하고 4d orbit에 배치되는 전자의 수효만 달라집니다. 원자가는 6s,5d에 각각 배치된 2개 1개가 평면구조의 혼성궤도를 이루면서 +3가를 나타냅니다. 따라서 화학적 성질은 거의 동일합니다. 반면 내부 4d궤도에 전자가 하나씩 더 채워지고 원자핵에도 양자가 하나씩 늘어나면서 핵과 전자간의 인력이 늘어나 원자부피는 줄어들게 됩니다. 이를 Lanthanide contraction 현상이라고 하는 것이지요. 일반적으로 전자가 하나 늘어나면 전자간의 반발에 의해 원자부피가 늘어나게 되는데 란타나이드 금속들은 이와 반대의 현상이 나타난 것입니다. (2) 두번째 질문은 2주기 원소들이 다른 주기 원소와 다른 점은 원자크기가 작고 d orbital이 존재하지 않기 때문에 전자들이 핵에 구속되는 경향이 커서 이온결합보다는 공유결합이 많고, p orbital의 전자도 활동반경이 작아서 ∏결합이 잘 일어나지 않기 때문일 때문일 것입니다. 3주기 원소가 대표성을 가진다는 의미는 같은 그룹에서 2주기는 위와 같이 극성이 심하고 반대로 5,6, 주기에 갈수록 극성이 덜하며 전이금속의 특성을 가지기 때문에 결과적으로 3주기의 성질이 해당그룹의 성질을 대표적으로 나타내기 때문일 것입니다. 답변의 글이 되었는지 의심스럽습니다.

김영환 김영환   39-08-02 00:00 정말 감사합니다.. 저는 아무리 찾아봐도 이런 정보를 얻을 수 없었는데 고맙습니다. 다음에 또 질문 드릴게요.. ^^* 정말 감사합니다.. 저는 아무리 찾아봐도 이런 정보를 얻을 수 없었는데 고맙습니다. 다음에 또 질문 드릴게요.. ^^*

행인    07-04-17 20:34 일반적으로 전자가 하나 늘어나면 전자간의 반발에 의해 원자부피가 늘어나게 되는데 라고 하셨는데 .. 하지만 위의 경우에는 전자가 하나 늘어난단 소리는 .. 원자번호 증가한단 소리이고 그러면 원자핵 전하도 증가하는데 .. 그럼 원자반지름 감소하지 않나요 ? 고등학교 화학2에서도 그렇게 설명하는데 ;; 일반적으로 전자가 하나 늘어나면 전자간의 반발에 의해 원자부피가 늘어나게 되는데 라고 하셨는데 .. 하지만 위의 경우에는 전자가 하나 늘어난단 소리는 .. 원자번호 증가한단 소리이고 그러면 원자핵 전하도 증가하는데 .. 그럼 원자반지름 감소하지 않나요 ? 고등학교 화학2에서도 그렇게 설명하는데 ;;

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