원자 반지름

의미와 주요 주기 경향

원자에는 날카로운 표면이 없다

양자역학에서 전자는 확률 분포로 기술되며 특정 거리에서 갑자기 사라지지 않는다. 따라서 원자의 “크기”는 핵간 거리나 비결합 접촉을 일정한 모형으로 나눈 유효량이다.

주기를 가로질러: 전자구름이 대체로 수축한다

왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 양성자 수가 늘지만 새 전자는 대개 같은 주껍질에 들어간다. 같은 껍질의 전자들은 완전히 차폐하지 못하므로 유효 핵전하가 증가하고 바깥 궤도가 수축해 반지름이 작아진다.

족을 내려갈 때: 새 껍질 효과가 보통 더 크다

아래 주기에서는 원자가전자가 더 높은 n의 껍질에 들어가 평균 핵거리와 내부 전자 차폐가 증가한다. 핵전하도 커지지만 새 껍질의 거리 효과가 대체로 우세해 반지름이 커진다.

단순 경향이 달라지는 곳

d 블록의 변화는 더 완만하다

전이금속에서는 새 전자가 (n−1)d 궤도에 들어가고 바깥 ns 껍질도 남아 있다. d 전자가 증가하는 핵전하를 부분적으로 차폐하므로 전이 계열의 반지름은 p 블록만큼 가파르게 줄지 않는다.

란타넘족 수축은 f 블록 밖까지 영향을 준다

4f 전자는 바깥 전자를 잘 차폐하지 못해 란타넘족을 가로질러 유효 핵인력이 증가한다. 이 수축 때문에 Hf와 Zr의 크기가 예상보다 매우 비슷하며 단순한 “껍질 하나 추가” 규칙이 깨진다.

원자 반지름의 정의와 측정

결합 길이는 고정된 두 원자구의 단순 합이 아니다

공유 반지름은 많은 결합 길이를 근사하지만 결합 차수, 혼성, 산화 상태, 결합 상대가 전자밀도를 바꾼다. 같은 원소라도 환경이 달라지면 유효 크기가 달라진다.

결합 차수

같은 원소 조합이라면 다중 결합은 보통 단일 결합보다 짧다. 핵 사이에 더 많은 전자밀도가 집중되기 때문에 C–C, C=C, C≡C를 하나의 고정 탄소 반지름으로 정확히 나타낼 수 없다.

화학적 환경

배위수, 전하, 결합 상대의 전기음성도가 전자구름을 수축·팽창시킨다. 서로 다른 표의 수치를 비교할 때는 같은 반지름 정의와 비슷한 구조 조건인지 먼저 확인해야 한다.

한 원소에도 여러 유용한 반지름이 있다

분자 구조에는 공유 반지름, 금속 결정에는 금속 반지름, 비결합 접촉에는 반데르발스 반지름이 유용하다. 어느 하나만이 유일한 “진짜 반지름”인 것은 아니다.

구조 실험에서 반지름을 얻는 방법

X선·전자·중성자 회절은 먼저 핵간 거리를 준다. 반지름 체계는 그 거리를 각 원자에 배분하는 모형이므로 배분 규칙이 다르면 권위 있는 표끼리도 값이 조금 다를 수 있다.

반지름은 여러 주기성과 연결되지만 단독 원인은 아니다

작은 원자는 흔히 원자가전자를 더 강하게 붙잡고 첫 이온화 에너지도 높지만, 두 성질 모두 유효 핵전하, 차폐, 궤도 에너지, 전자 반발이라는 공통 원인에서 나온다. 반지름만을 모든 변화의 원인으로 취급하면 인과관계를 거꾸로 이해할 수 있다.

전이금속, 란타넘족, 다른 산화 상태는 주기율표의 단순 화살표가 출발점일 뿐이며 전자 구조를 함께 봐야 함을 보여 준다.

연습

1. 3주기 비교

같은 반지름 정의에서 Na와 Cl 중 어느 쪽이 보통 더 큰가?

2. 같은 족 비교

K는 핵전하가 더 큰데 왜 Na보다 큰가?

3. 반지름 표 비교

공유 반지름과 반데르발스 반지름을 직접 비교해 어느 표가 더 “맞다”고 말할 수 있는가?