이온 반지름

이온 반지름의 의미

이온 반지름은 구조 모형이다

결정 안 전자구름은 날카롭게 끝나지 않는다. 회절로 측정한 핵간 거리를 반지름 체계가 이웃 이온 사이에 나누므로 체계에 따라 수치가 약간 달라질 수 있다.

전자 제거는 보통 양이온을 작게 만든다

전자-전자 반발이 줄지만 핵전하는 그대로다. Na→Na⁺처럼 최외각 껍질 전체가 사라지면 수축이 특히 크다. 비슷한 배위 조건에서 Fe³⁺는 보통 Fe²⁺보다 작다.

전자 추가는 보통 음이온을 크게 만든다

원자가 영역에 전자가 더 들어와 반발이 증가하고 핵전하는 변하지 않아 전자구름이 팽창한다. 같은 원소에서 비교 가능한 상태라면 더 음전하일수록 큰 경향이 있다.

이온 크기를 지배하는 요인

등전자 계열이 가장 명확한 비교다

O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺는 모두 10전자다. 전자 수를 고정하면 양성자 수가 증가할수록 작아져 O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ 순서가 된다.

배위수는 표의 이온 반지름을 바꾼다

4배위, 6배위, 8배위는 같은 이온이라도 서로 다른 기하와 핵간 거리를 갖는다. 따라서 6배위 Fe²⁺ 값을 4배위 값과 조건 없이 직접 비교해서는 안 된다.

같은 원소에서도 산화 상태가 크기를 바꾼다

더 높은 양의 산화 상태는 더 적은 전자와 더 강한 순핵인력을 뜻해 보통 수축한다. 다만 전이금속에서는 같은 배위수와 비슷한 스핀 상태에서 비교해야 한다.

이온 크기의 화학적 결과

전하 밀도는 반지름과 분극을 연결한다

작고 높은 전하의 양이온은 강한 국소 전기장을 만들고 이웃 음이온의 전자구름을 크게 왜곡할 수 있다. 크기와 전하를 함께 봐야 한다.

높은 분극력

Al³⁺는 Na⁺보다 작고 전하도 커서 분극력이 높다. 파얀스 관점에서 이런 양이온은 일부 “이온 결합”에 더 큰 공유결합 성격을 만들 수 있다.

높은 분극성

크고 퍼진 음이온 전자구름은 외부장에 더 쉽게 변형된다. I⁻는 일반적으로 F⁻보다 분극되기 쉬우며 이것이 실제 결합 성격에 영향을 준다.

주기 경향은 양이온과 음이온을 나누어 읽어야 한다

양이온 형성은 껍질 전체를 없앨 수 있고 음이온 형성은 같은 껍질 반발을 늘린다. 모든 전하 상태를 한 화살표로 묶기보다 같은 전하·배위 또는 등전자 계열에서 비교하는 것이 안전하다.

수화와 격자 에너지에서 이온 크기가 드러난다

작고 높은 전하의 이온은 물과 강하게 상호작용하고 결정 격자에서도 큰 정전기적 안정화를 만들기 쉽다. 그래서 반지름은 수화 엔탈피, 용해, 이동도, 결정 안정성에 영향을 준다.

이온 반지름만으로 결정 구조를 정할 수 없다

반지름 비 규칙은 좋은 첫 근사지만 방향성 결합, 분극, 전자 구조, 온도와 압력도 구조를 결정한다. 이온을 완전한 딱딱한 구로만 보면 중요한 화학을 놓친다.

연습

1. 등전자 순서

O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺를 큰 순서로 배열하라.

2. 철 이온

같은 배위와 스핀 조건에서 Fe²⁺와 Fe³⁺ 중 어느 것이 더 작은가?

3. 반지름 표 사용

이온 반지름과 함께 배위수를 적어야 하는 이유는?