1.주기율표와 원소의 분류

도서관에는 수많은 책이 있지만 책을 주제,작그 등에 따라 분류를 잘해 놓았기 떄문에 우리는 원하는 책을 손쉽게 찾을 수 있다.이와 마찬가지로 우리 주뱐의 100여 종이 넘는 원소들도 원자 번호 순서로 나열하면 성질이 비슷한 원소가 주기적으로 나타나 위치에 따른 원소의 성질을 파악할 수 있다.지금부터 우리가 학습할 주기율표가 바로 원소들은 체계적으로 정리해 놓은 표이다.주기율표의 역사를 통해 원소를 분류하는 방법을 학습하고 주기율이 나타나는 이유를 전자 배치로 설명해 보자.

(1)주기율의 발견

18세기 후반에 많은 종류의 원소들이 발견됨에 따라 원소들은 분류하는 기준이 필요하게 되었다.근대에 최초의 원소 분류는 1789년 라부아지엥 의해 시작되었으며 19세기 중반에는 원소들의 물리적 화학적 성질에 대한 연구 결과를 토대로 원소를 체계적으로 분류하려고 노력하였다.

1.되베라이너의 세 쌍 원소 :1816년 되베라이너는 화학적 성질이 비슷한 세 개의 원소로 이루어진 원소 무리에서 천 번째 원소와 세 번쨰 원소의 물리량의 평균값이 두 번째 원소의 물리량과 같다는 것을 발견하고 이들 세 개의 원소를 세 쌍 원소라 하였다.원자량의 크기 순서는 칼슘,스트론튬,바륨이며 두 번째 원소인 스트론튬의 원자량과 밀도를 중심으로 나머지 두 원소와의 관계를 살펴보면 이렇다.위에서 계산한 스트론튬의 원자량과 밀도는 표에 제시된 스트론튬의 물리적 성질 값과 거의 같은 값임을 알 수 있다.이처럼 되베라이너의 세 쌍 원소 관계를 만족하는 원소들로는 리튬 나트륨 칼륨 염소 브로민 아이오딘 이 있다.2.뉴랜즈의 옥타브 법칙:1865년 뉴렌즈는 옥타브 법칙을 발표하였는데,원소를 원자량 순서대로 배열하면 음악의 옥타브처럼 여덟번째 원소마다 물리적 화학적 성질이 비슷한 원소가 나타남을 발견한 것이다. 이 시대는 아직 18족 비활성 기체가 발견되지 않았기 떄문에 옥타브 법칙이 성립할 수 있었다.만약 비활성 기체까지 포함시키면 9번째마다 비슷한 원소가 나타난다고 할 수 있다.하지만 뉴랜즈의 옥타브 법칙은 칼슘 이후의 원소에 대해서는 맞지 않았으므로 결국 학계에 받아들여지지 않았다.

3.멘델레예프의 주기율표:1869년 러시아의 화학자 멘델레예프는 당시 알려진 63종의 원소를 원자량순으로 나열할 떄 비슷한 성질의 원소가 주기적으로 나타나는 것을 발견하였다.그래서 이미 나열한 원소들과 화학적 성질이 비슷한 원소가 나타나면 그 옆에 놓으면서 배치하였다.주기율표는 이처럼 원소의 주기율을 기준으로 원소들을 배열한 표이다.멘델레예프는 이러한 발견을 바탕으로 주기율표에 가로줄을 몇개의 주기로 나누고,세로줄을 8개의 족으로 분류하였다.멘델레예프의 주기율표는 전형 원소,전이 원소에 대한 구분이 없다.대신에 어떤 비율로 산소 또는 수소 화합물을 형성하는가에 따라 분류된 것이 특징이다.이러한 비율은 원자가 전자 수 또는 원자가 전자처럼 움직이는 전자의 수와 관련이 있다.망가니즈의 경우 +7의 산화수를 가질 수 있어서 할로젠 원소와 같은 족에 배치된 것을 확인할 수 있다.여기서 주의 깊게 살펴볼 것은 멘델레예프의 주기율표는 중간 중간에 빈 곳이 있었다.그 이유는 멘델레예프가 원소의 물리적 화학적 성질을 조사하여 원자량이 증가하는 순서로 배열하였을 때 원소의 성질이 주기율을 따르지 않는 곳은 빈칸으로 남겨 두고 주기성에 알맞게 원소를 나열하였기 때문이다.예를 들어 당시에 아연 다음으로 원자량이 큰 것은 비소였는데 비소의 성질이 알루미늄이나 규소와 비슷하지 않았기 떄문에 두 칸을 비워두고 그 다음 칸에 비소를 배치하였다.이처럼 멘델레예프는 원자량에 따른 원소의 성질이 주기율을 따르지 않을 경우 아직 발견되지 않은 원소가 있을 것이라고 생각하고 발견되지 않은 원소의 성질까지 예측한 것이다.더 놀라운 것은 그가 예측한 원소들은 실제로 발견되었고 예측한 성질도 실제와 거의 같았다.멘델레예프가 주기율표에서 빈칸으로 남겨두고 예언한 원소와 실제 발견된 원소의 성질을 표에 정리하였다.멘델레예프는 주기율을 원소들의 화학적 성질은 그 원자량에 대한 주기적인 함수라고 설명하였다.멘델레예프는 이러한 주장을 바탕으로 발견되지 않은 원소를 예언하였고 실제로도 이와 유사한 원소가 발견된 점에서 그 의의가 매우 크다.한편 원자량 순서와 주기율이 맞지 않는 부분이 존재하였는데 1894년 영국의 레일리와 램지가 비활성 기체인 아르곤을 발견하면서 시작되었다.발견된 아르곤의 원자량이 칼륨의 원자량보다 커서 원자량 순서로 나열했을 때 원소의 주기적 성질 변화와 원자량 순서가 맞지 않는 부분이 있었기 때문이다.이후에 멘델레예프는 이러한 현상에 대한 이유는 설명하지 못했지만 예외적으로 원자량 순서에 맞지 않더라도 원소의 배열 순서를 수정해야한다고 주장하였다.

모즐리의 주기율표:멘델레예프의 주기율표가 가진 문제는 1913년 모즐리가 해결하였다.모즐리는 음극선관 속에서 큰 에너지를 가지는 전자를 금속판에 충돌시켰을 떄 튀어나오는x선의 파장이 금속 원자의 양성자 수가 증가할수록 점점 짧아지는 것을 발견하였다.결국 원소의 성질이 주기적으로 나타나는 이유는 원자량이 아니라 양성자 수에 의해 결정된다는 것을 발견하였다.모즐리는 양성자 수를 결정하는 방법을 알아내었고 원소의 원자 번호를 처음으로 결정하였다.원소를 원자 번호 순으로 배열하면 멘델레예프 주기율표의 단점을 보완하며,물리적 화학적 성질의 주기성이 유지될 수 있다.결국 모즐리의 주기율표는 현재 사용되는 주기율표의 기초가 되었다.

(2)주기율과 주기율표

주기율은 원소를 원자 번호 순으로 나열할 떄 원소의 물리적 화학적 성질이 주기적으로 나타나는 성질이다.이러한 주기율이 나타나는 것은 원자가 전자 수가 주기적으로 변하기 때문이다.주기율표는 원소들을 원자 번호 순서대로 배열하도 록,성질이 비슷한 원소들이 같은 세로줄에 존재하도록 나열하여 원소의 화학적 성지링 주기적으로 나타나도록 배열한 것이다.주기율표는 주기와 족으로 이루어져 있다.

1 .주기:주기는 주기율표의 가로줄을 뜻하며 1주기부터 7주기까지 존재한다.주기는 한 원소에서 전자가 배치되어 있는 전자껍질의 수 또는 전자 배치에서 주양자수를 나타낸다.따라서 같은 주기에 속한 원소들은 전자껍질 수가 같다.1주기에는 수소와 헬륨 두 원소만 있고,2주기에는 리튬에서 네온까지 8개의 원ㅅ호가 존재하며 3주기에는 나트륨에서 아르곤까지 8개의 원소가 존재한다.4주기부터는 d오비탈에도 전자가 채워지기 시작해서 2주기3주기보다 원소가 10종이 더 많아서 4주기 와 5주기에는 각각 18개의 원소가 존재한다.6주기에는 32개의 원소가 있고,7주기는 미완성 주기이다.6주기,7주기에는 f오비탈에 전자가 채워지고 있는 원소들은 따로 분리하여 주기율표의 아래 부분에 제시하는데,이는 분리해서 나타내지 않을 경우 주기율표가 가로로 너무 길어지기 때문이다.6주기는 란타넘족이라고 하고 7주기는 악티늄족이라고 한다.