05. 원소의 주기성
1. 세상을 구성하는 원소와 주기율표
우리 주변의 물질은 원소로 이루어져 있으며, 원소의 종류는 약 110가지이다. 원소들을 특정 기준에 따라 배열하면 화학적 성질이 비슷한 원소들이 주기적으로 반복되며, 이 규칙이 드러나도록 원소를 배열한 것이 주기율표이다.
1. 원소의 분류
물질을 구성하는 원소는 성질에 따라 크게 금속 원소와 비금속 원소로 나눌 수 있다.
| 구분 | 금속 원소 | 비금속 원소 |
| 실온 상태 | 대부분 고체 (수은만 액체) | 대부분 기체·고체 (브로민만 액체) |
| 광택 | 특유의 광택 있음 (백색·회백색, 구리-붉은색, 금-노란색) |
고체 상태여도 광택 없음 |
| 열·전기 전도성 | 열 전도성·전기 전도성 있음 (조리 기구, 전선 등에 활용) |
대부분 열·전기 전도성 없음 |
| 뽑힘성·펴짐성 | 힘을 가해도 부서지지 않고 늘어나거나 얇게 펴짐 | 힘을 가하면 쉽게 부서짐 |
| 주기율표 위치 | 왼쪽·가운데 | 오른쪽 (수소는 예외적으로 1족) |
| 예시 | 철(공구), 금(회로 기판·귀금속) | 수소(자동차 연료), 탄소(연필심·다이아몬드) |
2. 주기율표
성질이 비슷한 원소들이 주기적으로 나타나도록 배열된 표로, 원소들을 원자 번호가 증가하는 순서대로 나열하여 화학적 성질이 비슷한 원소들이 같은 세로줄에 오도록 배열한 표이다.
• 주기(가로줄): 1주기~7주기. 같은 주기 원소들은 전자껍질 수가 같다.
• 족(세로줄): 1족~18족. 같은 족 원소들은 화학적 성질이 비슷하며, 이를 동족 원소라 한다.
▶ 주기율표를 만든 과학자들
| 과학자 | 발견 내용 |
| 되베라이너 (Döbereiner) | 화학적 성질이 비슷한 세 원소(세 쌍 원소) 발견. 중간 원소의 원자량 = 나머지 두 원소 원자량의 평균 |
| 뉴랜즈 (Newlands) | 원소를 원자량 순으로 배열하면 8번째마다 성질이 비슷한 원소가 나타남 |
| 멘델레예프 (Mendeleev) | 원자량 순으로 배열하여 화학적 성질이 비슷한 원소를 같은 세로줄에 배열, 최초의 주기율표 완성 |
| 모즐리 (Moseley) | 주기적 성질이 원자 번호(양성자 수)와 관련됨을 발견 → 현대 주기율표의 기초 |
2. 알칼리 금속과 할로젠
주기율표의 1족에 속하는 금속 원소를 알칼리 금속이라고 하고, 17족에 속하는 비금속 원소를 할로젠이라고 한다.
1. 알칼리 금속 (1족, 수소 제외)
| 구분 | 내용 |
| 물리적 성질 | 실온에서 고체·은백색 광택 / 칼로 쉽게 잘릴 만큼 무름 / 물보다 밀도가 작아 물 위에 뜸 / 열·전기 전도성 있음 |
| 산소와 반응 | 공기 중 산소와 반응하여 산화물(M₂O) 형성 → 광택 사라짐 4M + O₂ → 2M₂O |
| 물과 반응 | 수소 기체 발생 + 염기성 수용액 생성 2M + 2H₂O → 2MOH + H₂↑ |
| 할로젠과 반응 | 17족 원소와 격렬하게 반응하여 화합물 생성 |
| 반응성 순서 | Li < Na < K (원자 번호가 클수록 반응성 증가) |
| 보관 방법 | 석유·액체 파라핀 속에 보관 (공기·물과의 접촉 차단) |
| 구분 | 리튬(Li) | 나트륨(Na) | 칼륨(K) |
| 산소와 반응 | 광택 서서히 사라짐 | 광택 빠르게 사라짐 | 광택 매우 빠르게 사라짐 |
| 물과 반응 | 잘 반응함 | 격렬하게 반응함 | 매우 격렬하게 반응함 |
2. 할로젠 (17족)
| 구분 | 내용 |
| 물리적 성질 | 이원자 분자(F₂, Cl₂, Br₂, I₂)로 존재 / 원소마다 특유의 색 / 열·전기 전도성 거의 없음 |
| 실온 상태 | F₂(옅은 노란색·기체), Cl₂(황록색·기체), Br₂(적갈색·액체), I₂(보라색·고체) |
| 금속과 반응 | 알칼리 금속과 반응하여 염 생성 2M + X₂ → 2MX (M: Li·Na·K, X: F·Cl·Br·I) |
| 수소와 반응 | 비금속 원소와 반응하여 화합물 생성 (HF, HCl, HBr, HI) → 수용액은 산성 |
| 반응성 순서 | F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂ (원자 번호가 작을수록 반응성 증가) |
3. 원자의 전자 배치와 원소의 주기성
같은 족 원소들의 화학적 성질이 유사한 것은 원자를 구성하는 전자의 배치와 관련이 있으며, 원자의 전자 배치에서도 주기성을 찾을 수 있다.
1. 원자의 전자 배치
• 전자 껍질: 원자핵 주위에서 전자가 존재하는 특정 에너지 준위를 갖는 궤도. 원자핵에 가까울수록 에너지 준위가 낮다.
• 전자 배치의 원리: 전자는 에너지 준위가 낮은 껍질부터 차례대로 배치된다.
• 원자가 전자: 가장 바깥 전자껍질에 배치된 전자. 화학 결합에 참여하므로 원소의 화학적 성질을 결정하는 핵심 요소이다.
| 원소 | 원자 번호 | 양성자 수 | 전자 수 | 전자 배치 |
| 수소(H) | 1 | 1 | 1 | 1층: 1개 |
| 탄소(C) | 6 | 6 | 6 | 1층: 2개 / 2층: 4개 |
| 마그네슘(Mg) | 12 | 12 | 12 | 1층: 2개 / 2층: 8개 / 3층: 2개 |
2. 원자의 전자 배치에서 나타나는 주기성
• 같은 주기 원소: 전자가 들어 있는 전자 껍질 수가 같다. 전자 껍질 수 = 주기 번호
• 같은 족 원소: 원자가 전자 수가 같기 때문에 화학적 성질이 비슷하다. 원자가 전자 수 = 족 번호의 끝자리 수 (18족은 0)
• 원소의 주기성이 나타나는 까닭: 원자 번호가 커짐에 따라 원자가 전자 수가 주기적으로 변하기 때문에 화학적 성질이 비슷한 원소들이 주기적으로 나타난다.