이온화 에너지(ionization energy)의 단계별 변화와 경향성

1. 이온화 에너지(ionization energy)의 정의 

 이온화 에너지(ionization energy) 또는 이온화 포텐셜(ionization potential)은 기체 상태의 원자나 이온 상태 원자에서 최외각 전자를 떼어내는 데 드는 에너지를 말합니다. 이온화 에너지가 클수록 그 입자는 전자를 잃기가 더 어려운 것으로 해석되며, 이는 원자가 전자를 얼마나 강하게 붙잡고 있는 지를 나타내는 중요한 척도입니다. 이온화 에너지(I.E.)의 간단한 반응식은 다음과 같으며, 이와 같은 반응에서 필요한 에너지를 말합니다.

                                                                              X(g) → X+(g) + e−

 

 여기서 X(g)는 기체 상태의 안정한 원자이고, X+(g)는 전자를 잃고 양이온이 된 상태입니다. 이온화 에너지는 에너지를 투입해야 전자가 제거되므로 항상 양수의 값을 가집니다. 이온화 에너지의 단위는 kJ/mol (킬로줄/몰) 또는 eV (전자볼트)로 표현됩니다. 

2. 이온화 에너지(ionization energy)의 단계별 변화

 이온화 에너지(ionization energy)는 여러 단계로 나뉘며, 각 단계에서의 값은 점차 증가하는 경향을 보이며 이를 이온화 에너지 경향성이라고 합니다. 

1. 1차 이온화 에너지(I1)는 원자의 최외각 전자를 제거하는 데 필요한 에너지로 원소에 따라 그 에너지 값은 달라집니다. 예를 들어 소듐(Na)과 같은 1족 원소(알칼리 금속)의 경우 1차 이온화 에너지가 가장 낮은데 대부분 최외각 전자를 하나씩 가지고 있는 것이 특징입니다.
2. 2차 이온화 에너지(I2)(첫 번째 전자를 제거한 후, 두 번째 전자를 제거하는 데 필요한 에너지)는 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 전자가 제거되면서 원자의 유효 핵 전하가 증가하여 남아 있는 전자를 더 강하게 끌어당기기 때문입니다.
3. n차 이온화 에너지는 n번째 전자를 제거하는 데 필요한 에너지로, 특정 껍질의 마지막 전자가 제거되는 순간 급격한 증가를 보입니다. 주양자수가 줄어드는(즉, 전자껍질의 개수가 줄어드는) 지점에서 그전까지의 이온화 에너지의 증가율에 비해 아주 큰 폭으로 증가함을 말합니다. 쉽게 설명하면, n차 이온화 에너지는 (n = (그 단계의 껍질에 들어 있는 총 전자 수) + 1)의 지점에서 급격히 커지는 것으로 보면 이해하시면 됩니다.

3. 주기율표 상의 이온화 에너지(ionization energy) 경향성

 이온화 에너지(ionization energy)는 주기율표에서 원자의 위치에 따라 변화하는 경향성을 보인다. 이러한 경향성은 가리움 효과(shielding effect)와 유효 핵 전하(effective nuclear charge)에 의해 결정된다.

1. 주기(가로 행)에 따른 변화 : 같은 주기에서는 오른쪽으로 갈수록 이온화 에너지가 증가합니다. 이는 원자가 동일한 전자껍질을 공유하지만, 원자핵의 양성자 수가 증가하면서 유효 핵 전하가 커지기 때문입니다. 따라서 전자가 핵에 더 강하게 붙잡히게 되어 이온화 에너지가 상승합니다.
2. 족(세로 열)에 따른 변화 : 같은 족에서는 아래로 내려갈수록 이온화 에너지가 감소합니다. 이는 전자 껍질의 수가 증가함에 따라 가리움 효과가 커지고, 바깥쪽 전자가 원자핵의 인력을 덜 받기 때문입니다.
3. 예외적인 경우 : 일반적인 경향성에서 벗어나는 경우도 존재합니다. 예를 들어, 2족 원소와 13족 원소, 15족 원소와 16족 원소 사이에서는 이온화 에너지가 예상과 다르게 나타난다. 이는 오비탈의 형태와 전자 배치의 안정성에 기인한다. 예를 들어, 2족 원소의 s오비탈은 상대적으로 안정적이므로 13족 원소의 p오비탈보다 이온화 에너지가 크다. 더 자세히 말하자면, 2족과 13족, 15족과 16족 사이에선 이온화 경향성이 역전되는데, 이는 그 지점에서, 해당 원자의 맨 마지막 전자가 들어간 오비탈이 바뀌기 때문입니다. 2족은 s오비탈에 2개의 원자가 전자를 갖지만 13족은 s오비탈에 2개, p오비탈에 1개의 전자를 갖는데, 쌓음 원리에 의해 안정된 s오비탈의 전자를 떼어내는 것이 p오비탈의 전자를 떼어내는 것보다 더 어렵기 때문입니다. 또 15족은 각각의 p오비탈 세부구조(px오비탈, py오비탈, pz오비탈)에 1개씩의 전자를 갖지만 16족은 앞에서 서술한 세 세부 구조 중 하나에 두 개의 전자를 갖게 되는데, 훈트의 규칙에 의해 각각의 오비탈 세부 구조는 가능한 한 적은 수의 전자를 가지려 하기 때문에 최외각 오비탈에 전자를 2개 포함한 오비탈을 갖고 있는 16족에서 전자를 떼어내는 것이 모든 최외각 오비탈에 전자가 1개씩만 들어 있는 15족에서 전자를 떼어내는 것보다 더 쉽기 때문입니다.

*가리움 효과(shielding effect)는 다전자 원자에서 전자와 전자 간 반발력이 원자핵과 전자 사이의 인력을 부분적으로 상쇄시키는 효과를 말합니다. 가리움 효과가 생기면 전자에 전자가 느끼는 원자핵과의 인력이 감소하는데, 이때 전자에게 작용하는 원자핵의 알짜 전하량을 유효핵전하(effective nuclear charge)라 합니다.

 

*유효 핵 전하(effective nuclear charge)는 전자가 실질적으로 원자핵의 양성자로부터 느낄 수 있는 인력입니다. 전자들의 가리움 효과로 인해 원자핵으로부터 멀어질수록 인력이 약해지는 것도 반영한 실질적인 핵 전하이다. 바깥쪽의 전자도 가리움 효과를 줄 수 있는데 이는 전자가 파동 함수로 존재하기 때문에 그 위치가 정해진 것이 아니기 때문입니다. 유효 핵 전하를 이해하면 원자 반지름의 크기를 이해하는데 도움이 된다. 유효 핵 전하는 이온화 에너지나 전기 음성도 등 원소들의 주기적 성질에 영향을 미친다. 유효 핵 전하는 원자가 전자(Valence Electron)와 핵심부 전자(Core Electron)에 대한 이해가 필요한데 원자가 전자는 원자의 가장 바깥 전자껍질에 존재하는 전자를 말하며, 핵심부 전자는 원자가 전자를 제외한 나머지 전자, 즉 안쪽 전자껍질에 존재하는 전자를 말합니다.

4. 대표적인 원소들의 이온화 에너지(ionization energy) 값

 다음은 대표적인 원소들의 이온화 에너지 값을 나타낸 것입니다. 수소(H)는 1312 kJ/mol, 헬륨(He)은 2372 kJ/mol (가장 높은 이온화 에너지), 리튬(Li)은 520 kJ/mol, 플루오린(F)은 1681 kJ/mol, 세슘(Cs)은 376 kJ/mol (가장 낮은 이온화 에너지 중 하나)의 값을 보여줍니다. 

 

5. 이온화 에너지(ionization energy)에 영향을 미치는 요인

 이온화 에너지(ionization energy)에 영향을 미치는 요인은 다음의 원자 반지름, 핵 전하, 전자 배치의 안정성, 전자 차폐 효과(가리움 효과)의 네 가지 정도로 정리할 수 있습니다. 

1. 원자 반지름 : 원자의 크기가 크면 전자가 핵으로부터 멀리 떨어져 있어 이온화 에너지가 낮아진다.
2. 핵 전하 : 양성자 수가 많을수록 전자에 대한 인력이 증가하여 이온화 에너지가 상승한다.
3. 전자 배치의 안정성 : 가득 찬 전자 껍질이나 반쯤 찬 전자껍질은 안정성이 높아 이온화 에너지가 증가한다.
4. 전자 차폐 효과(가리움 효과) : 내부 전자가 바깥 전자를 가리는 효과로 인해 이온화 에너지가 감소할 수 있다.

6. 이온화 에너지ionization energy)와 화학적 성질

 이온화 에너지(ionization energy)는 원소의 화학적 성질과 직접적인 연관이 있으며, 금속과 비금석으로 구분되어 설명할 수 있습니다.

• 금속 원소(알칼리 금속 등) : 이온화 에너지가 낮아 전자를 쉽게 잃고 양이온이 되고 높은 반응성을 보입니다.
• 비금속 원소(할로젠 등) : 이온화 에너지가 높아 전자를 잃기 어렵고, 전자를 얻어 음이온이 되는 경향이 강합니다.

 금속 원소의 경우 이온화 에너지가 낮을수록 화학적 반응성이 커지며, 비금속 원소는 이온화 에너지가 높을수록 전자를 잃지 않고 강한 전기음성도를 갖게 됩니다.

 

 이온화 에너지는 원소의 전자 배치와 주기율표 상의 위치에 따라 변하며, 원자의 반응성과 결합 형성 능력에 큰 영향을 미친다. 주기율표를 따라 변화하는 경향성을 이해하면 화학적 성질을 예측하는 데 유용하게 활용할 수 있다.