원자가 전자

주족 원자의 원자가전자 찾기

Na는 [Ne]3s¹이므로 바깥 전자가 1개이고, Cl은 [Ne]3s²3p⁵이므로 7개다. 같은 주족 열에서는 ns/np 점유 패턴이 반복되어 화학적 가족 유사성을 만든다.

18족 대표 원소는 보통 ns²np⁶의 8전자 닫힌 껍질을 갖지만 He는 첫 껍질의 1s²만으로 닫힌 껍질이 되어 원자가전자가 2개다.

루이스 기호와 결합

루이스 기호는 원소 기호 주변에 원자가전자 하나당 점 하나를 놓는다. C의 4개는 흔히 네 결합, O의 6개는 두 결합과 두 고립전자쌍, Cl의 7개는 한 결합과 세 고립전자쌍으로 나타난다.

원자가전자, 형식전하와 루이스 구조

루이스 구조를 만들 때 각 원자의 원자가전자를 합친 뒤 결합과 고립전자쌍에 배분한다. 형식전하는 공유 결합 전자를 반씩 나누는 장부이고, 전기음성도가 큰 원자에 모두 주는 산화수와는 다른 개념이다.

속전자도 모든 상황에서 화학적으로 무관한 것은 아니다

일상적인 결합 모형에서는 속전자를 비활성 코어로 다뤄도 좋지만 고분해능 분광, 무거운 원소의 상대론 효과, 코어 분극에서는 원자가 영역과의 결합이 드러난다. “원자가전자”는 반응성을 위한 유용한 구분이다.

이온, 산화 상태와 전이금속

전이금속과 내부 전이원소에서는 원자가 영역이 넓다

Fe는 [Ar]3d⁶4s²로 쓴다. 4s와 3d의 에너지가 가깝기 때문에 d 전자도 결합, 자성, 여러 산화 상태에 참여한다. 가장 큰 n만 세면 전이금속 화학을 놓친다.

원자가전자 수는 족을 예측하지만 모든 산화 상태를 결정하지 않는다

17족이 전자 하나를 받아들이기 쉬운 것처럼 외각 패턴은 강한 지침이다. 그러나 실제 산화 상태는 결합 에너지, 격자, 용매화, 리간드, 전체 반응 에너지의 영향을 받는다.

원자가 구조의 화학적 결과

같은 족에서 바깥 전자배치가 반복되므로 결합 수, 이온 형성, 반응성에 공통 패턴이 생긴다. 하지만 궤도 크기, 전기음성도, 분극성은 주기마다 달라 같은 원자가전자 수가 완전히 같은 화학을 뜻하지는 않는다.

분광법은 원자가전자 상태를 직접 조사한다

광전자 분광은 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지를 측정해 원자가 준위와 깊은 코어 준위를 구분한다. 원자가 피크의 위치와 모양은 결합 환경에 따라 변하므로 원자가전자는 실험 가능한 양자 상태다.

연습

1. 황

S=[Ne]3s²3p⁴의 원자가전자 수는?

2. 알루미늄

Al=[Ne]3s²3p¹의 원자가전자 수는?

3. 철

Fe를 가장 큰 n만으로 설명하면 왜 불충분한가?