원자 주기율표, 원자 모형 그려 이온 개념 이해하기, 쉽게 이온 이해하기

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원자의 주기율표에 대해 설명해 보도록 하겠습니다. 주기율표의 발견과 현대 주기율표에 대해 알아보고 1번부터 20번까지 쉽게 외우는 방법, 그리고 주기율표를 이용해서 이온의 개념을 쉽게 이해해 보도록 하겠습니다.

 

1. 주기율표의 발견

라부아지에가 물 분해 실험을 통해 아리스토텔레스의 4 원소 변환설에 의문을 제기한 후, 여러 가지 원소들이 발견되었습니다. 멘델레예프라는 과학자는 당시 발견된 64종의 원소들을 규칙에 의해 배열하고자 하였습니다. 마치 책꽂이에 ㄱ,ㄴ,ㄷ 순서로 책을 꼽듯이 말입니다. 멘델레예프는 원자량(질량) 순으로 원자들을 배열하였으며, 지금 우리가 사용하는 주기율표와는 가로, 세로가 바뀐 모양의 주기율표를 발표하였는데, 듬성듬성 빈칸이 있었습니다. 멘델레예프는 빈칸의 원소는 아직 발견되지 않았으며, 어떤 성질을 갖고 있을 것으로 예측하였습니다. 후에 실제로 멘델레예프가 예언한 것과 같은 성질의 원소들이 발견되었고 주기율표의 빈칸을 채우게 되었습니다.

 

2. 현대의 주기율표

오늘날의 주기율표는 원자번호순으로 가로로 배열하며 성질이 비슷한 원자는 같은 세로줄에 오도록 배열합니다. 원자번호란 원자의 양성자수와 같은 뜻으로, 원자번호 1번인 수소는 양성자 개수가 1개입니다. 또한 헬륨은 원자번호 2번으로 양성자가 2개란 뜻입니다. 원자는 전기적으로 중성이므로 양성자수와 전자의 수가 같습니다. 즉, 원자번호 5번인 붕소는 양성자 5개, 전자 5개를 가지고 있습니다.

 

다음 주기율표는 중학교, 고등학교에서 배우는 수준으로 원자번호 1번부터 20번까지 나열한 것입니다. 같은 세로줄은 성질이 비슷합니다.

	1족	2족	13족	14족	15족	16족	17족	18족
1주기	수소 H 1			원소이름 원소기호 원자번호				헬륨 He 2
2주기	리튬 Li 3	베릴륨 Be 4	붕소 B 5	탄소 C 6	질소 N 7	산소 O 8	플루오린 F 9	네온 Ne 10
3주기	나트륨 Na 11	마그네슘 Mg 12	알루미늄 Al 13	규소 Si 14	인 P 15	황 S 16	염소 Cl 17	아르곤 Ar 18
4주기	칼륨 K 19	칼슘 Ca 20

1번부터 20번까지의 주기율표를 외우는 방법은 다양하며 떳다떳다 비행기 노래에 맞춰 앞글자를 부르는 것이 유명합니다.

※ 떳다떳다 비행기에 맞춰

- 수헬리베 붕탄질 산플네 나마알, 규인황염 아르곤 칼륨 칼슘♬

 

3. 원자모형

주기율표에 나온 순서대로 원자번호를 그려보면 원자들의 성질을 더 잘 이해할 수 있습니다. 원자모형은 보어의 원자모형을 사용하는 것이 이해하기 좋습니다.

※ 보어의 원자모형

- 원자핵이 중심에 있고, 전자는 특별한 궤도를 돌고 있다는 모형

- 원자핵에 가장 가까운 첫 번째 궤도에는 전자가 2개, 두 번째 궤도부터는 전자가 8개씩 들어가며, 전자는 안쪽 궤도부터 채운다. 가장 바깥쪽 궤도(최외각 궤도)의 전자는 다른 원자로 이동할 수 있다.

보어의 원자모형에 맞춰 1~20번까지의 원자들의 모형을 그려보면 다음 두 가지 공통점을 찾을 수 있습니다.

첫째, 같은 가로줄(주기)에 속하는 원자들은 전자 궤도의 수가 같다.

둘째, 같은 세로줄(족)에 속하는 원자들의 최외각 전자 수가 같다.

 

4. 원자가 이온이 되는 과정

원자는 최외각 궤도에 전자를 가득 채우고 싶어 하는 성질이 있습니다. 그런데 최외각 궤도의 전자는 원자핵의 영향을 가장 적게 받기 때문에 다른 원자로 이동할 수 있습니다. 1족의 원자들은 최외각 궤도에 전자를 1개 가지고 있는데, 최외각 궤도에 전자를 가득 채우고 싶은 성질 때문에 이 전자 한 개를 버리게 됩니다. 반면 17족 원자들은 최외각 궤도를 가득 채우고 싶은데 이미 7개가 있고, 다른 원자들이 버린 전자를 가져오게 됩니다. 그러면서 원자는 전기적인 성질을 띠는 이온이 되게 됩니다. 이때 전자를 받은 원자는 (-) 전하를 띠는 음이온이 되고, 전자를 잃은 원자는 (+) 전하를 띠는 양이온이 됩니다. 

 

표로 정리해 보면 다음과 같습니다.

	1족	2족	13족	14족	15족	16족	17족	18족	전자 궤도 수
1주기	H							He	1개
2주기	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne	2개
3주기	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar	3개
4주기	K	Ca							4개
최외각 궤도 전자 수	1개	2개	3개	4개	5개	6개	7개	최외각 궤도의 전자가 가득 차 있다.
몇개의 전자를 버리거나 얻는지?	1개 버림	2개 버림	3개 버림		3개 얻음	2개 얻음	1개 얻음	전자를 잃거나 버리지 않음
이온	+1 양이온	+2 양이온	+3 양이온		-3 음이온	-2 음이온	-1 음이온

이때 14족 원자들은 이온이 되기보다는 전자를 공유하는 공유결합을 하며, 18족 원자들은 최외각 궤도의 전자가 이미 가득 차 있는 상태로 매우 안정하여 다른 원자와 반응하지 않는 비활성 기체입니다.

 

 

이런 식으로 주기율표와 원자모형을 이용하면 이온에 대해 쉽게 이해할 수 있습니다. 중학교 과학에서 주기율표가 선행이라며 생략이 되어 있는데, 여전히 학원에서는 주기율표에 대해 가르치고 있습니다. 차라리 학교에서도 주기율표를 가르치고, 원자모형을 이용하여 설명하면서 이온에 대해 알려주면 학생들이 더 쉽게 이해할 수 있지 않을까 싶습니다. 선행 금지 때문에 학교에서 수업 듣는 학생들만 주기율표에 대해 모르는 것이 아쉽습니다.

 

 

지금까지 원자 주기율표에 대해 알아보고, 원자 모형을 그려보며 원자가 이온이 되는 과정에 대해 알아보았습니다.

 

아래 글은 원소, 원자, 분자 개념 정리 글입니다.

2023.04.13 - [분류 전체보기] - 원소, 원자, 분자 개념 정리

원소, 원자, 분자 개념 정리