¶ 지식 정보

¶ 이온화 에너지

기체 상태의 원자 또는 이온 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$에서 전자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$을 떼어 내는 데 필요한 에너지이다.
단위는 주로 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\backslash mathrm\{kJ/mol\}$을 사용한다.

¶ 제n 이온화 에너지

전하가 $+(n-1)+(n\; -\; 1)$인 원자 또는 이온 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$에서 전자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$을 떼어 내는 데 필요한 에너지이다. ($nn$은 자연수이다.)

¶ 제n 이온화 에너지 예시

• 임의의 중성 원자 $\mathrm{X}\backslash mathrm\{X\}$(전하가 $00$이므로 $n=1n\; =\; 1$) $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$에서 전자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$을 떼어 내는 데 필요한 에너지: 제$11$ 이온화 에너지

• ${\mathrm{X}}^{+}\backslash mathrm\{X\}^\{+\}$(전하가 $+1+1$이므로 $n=2n\; =\; 2$) $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$에서 전자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$을 떼어 내는 데 필요한 에너지: 제$22$ 이온화 에너지

• ${\mathrm{X}}^{2+}\backslash mathrm\{X\}^\{2+\}$(전하가 $+2+2$이므로 $n=3n\; =\; 3$) $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$에서 전자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$을 떼어 내는 데 필요한 에너지: 제$33$ 이온화 에너지

¶ 제1 이온화 에너지의 비교

• 같은 주기에서 $22$족에서 $1313$족으로, $1515$족에서 $1616$족으로 원자 번호가 증가하는 경우를 제외할 때:
  원자 번호가 증가할 때 전자 껍질 수는 그대로지만 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하가 증가한다.
  유효 핵전하가 클수록 핵이 전자를 당기는 힘이 커지므로 전자를 떼어 내기 어려워져 이온화 에너지가 커진다.

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• 같은 주기에서 $22$족에서 $1313$족으로 원자 번호가 증가할 때:
  주양자수$(n)(n)$가 같을 때 $pp$ 오비탈에 있는 전자는 $ss$ 오비탈에 있는 전자보다 원자핵에서 더 멀리 떨어져 있어 원자핵이 당기는 힘이 작아 제거하기 쉬우므로 이온화 에너지가 작아진다.

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• 같은 주기에서 $1515$족에서 $1616$족으로 원자 번호가 증가할 때:
  $1515$족 원소는 $pp$ 오비탈 $33$개 모두 전자가 $11$개씩 들어가 있는 반면, $1616$족 원소는 $pp$ 오비탈 하나에 전자가 $22$개 들어가 있다.
  
  전자끼리는 서로 밀어내므로 가능한 한 멀리 떨어지는 경향이 있어 $pp$ 오비탈을 $33$개 모두 전자로 $11$개씩 채운 경우보다 $pp$ 오비탈 하나에 전자가 $22$개 들어가 있는 경우가 전자를 제거하기 쉽다.
  따라서 이온화 에너지가 작아진다.

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• $1818$족 원소에서 다음 주기의 $11$족 원소로 원자 번호가 $11$ 증가할 때:
  전자 껍질 수가 증가하여 원자핵과 원자가 전자 사이의 거리가 멀어지므로 이온화 에너지가 크게 감소한다.

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• 같은 족에서 원자 번호가 증가할 때:
  전자 껍질 수가 증가하여 원자핵과 원자가 전자 사이의 거리가 멀어지므로 이온화 에너지가 감소한다.

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• 앞선 내용을 바탕으로 각 주기별 제$11$ 이온화 에너지를 비교하면 아래와 같다.
  $11$주기:
  $22$주기:
  $33$주기:

¶ 제n 이온화 에너지의 변화

전자 수가 감소할수록 가려막기 효과가 감소하여 유효 핵전하가 증가한다.
이로 인해 전자를 떼어 낼수록 다음 전자를 떼어 내기 어려워지므로 $nn$이 커질수록 이온화 에너지는 증가한다.

원자가 전자를 모두 떼어 내면 전자 껍질 수가 감소하여 그다음 전자는 직전 전자에 비해 원자핵과 전자 사이의 거리가 훨씬 가까워
이온화 에너지가 $33$배 이상 급격히 증가한다.

¶ 제n 이온화 에너지의 변화 예시

다음은 $33$주기 원소 $\mathrm{X}\backslash mathrm\{X\}$의 이온화 에너지를 나타낸 것이다. 이를 통해 $\mathrm{X}\backslash mathrm\{X\}$를 구해보자. (단, $\mathrm{X}\backslash mathrm\{X\}$는 임의의 원소이다.)

제$33$ 이온화 에너지에서 제$44$ 이온화 에너지로 갈 때 $33$배 이상 급격히 증가하였으므로 $\mathrm{X}\backslash mathrm\{X\}$는 $33$개의 원자가 전자를 갖는다.

따라서 $\mathrm{X}\backslash mathrm\{X\}$는 $33$주기이면서 $1313$족 원소인 $\mathrm{A}\mathrm{l}\backslash mathrm\{Al\}$이다.

¶ 전자 친화도

기체 상태의 중성 원자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$에 전자 $1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}1\backslash ,\backslash mathrm\{mol\}$을 추가할 때 일어나는 에너지 변화이다.
단위는 주로 $\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\backslash mathrm\{kJ/mol\}$을 사용한다.

에너지의 부호가 양$(+)(+)$인 경우는 에너지 흡수를, 음$(-)(-)$인 경우는 에너지 방출을 의미한다.

¶ 전자 친화도의 비교

• $22$족 원소에 전자를 추가할 경우:
  $22$족 원소는 $ss$ 오비탈에 이미 전자가 차 있기 때문에 전자는 $pp$ 오비탈에 들어가야 하는데, $pp$ 오비탈은 $ss$ 오비탈보다 에너지 준위가 높으므로 양$(+)(+)$의 부호이거나 $00$인 전자 친화도를 갖는다.

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• $1818$족 원소에 전자를 추가할 경우:
  $1818$족 원소는 이미 옥텟 규칙을 만족하여 매우 안정하므로 양$(+)(+)$의 부호이거나 $00$인 전자 친화도를 갖는다.

그래프의 세로축에서 위쪽이 음수, 아래쪽이 양수임에 주의한다.

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• $1717$족 원소에 전자를 추가할 경우:
  $1717$족 원소는 옥텟 규칙을 만족하여 매우 안정해지므로 음$(-)(-)$의 부호를 갖고 절댓값이 매우 큰 전자 친화도를 갖는다.

¶ 적용 문항

¶ 1번 문항

¶ 2번 문항