주기율표(Periodic Table)의 구성과 특징

1. 주기율표(Periodic Table)의 정의와 역사

  주기율표(Periodic Table)는 유사한 성질을 가진 원소들을 배열한 표로 이러한 성질은 원자번호(양성자 수 또는 중성자 수)와 매우 유사한 경향성을 보입니다. 표의 배열은 원자번호 1번인 수소(Hydrogen, H) 원소부터 118번 오가네손(Oganesson, Og) 원소까지 나열이 되어있으며, 란탄 계열(Lanthanides)은 57번 란탄넘(Lanthanum, La)부터 71번 루테튬(Luthetium, Lu)까지를 말하며, 악티늄 계열(Actinides)은 89번 악티늄(Actinium, Ac)부터 103번 로렌슘(Lawrencium, Lr)까지의 원소를 따로 분류하여 표에 배열하고 있습니다. 주기율표를 제안한 것은 1869년의 러시아의 드미트리 멘델레예프가 원자량에 따라 원소를 배열하고 주기성을 발견한 것을 표로 나열한 것입니다. 이후 원자번호 개념이 도입되면서 현대의 주기율표 형태로 발전되어 지금의 형태를 갖추게 되었습니다. 

2. 주기율표(Periodic Table)의 구성

 주기율표는 화학적 성질이 유사한 원소들이 주기적으로 반복되는 패턴을 보이는데 이는 원소의 성질이 전자 배치와 깊은 연관이 있기 때문입니다. 배열의 원리는 원자 번호가 커짐에 따라 성질이 비슷한 원소가 주기적으로 나타나는 성질인 주기성을 기준으로 구성이 되어 있습니다. 원소들을 배열한 주기율표의 가로 행은 주기(Period), 세로 열은 족(Group)이라고 알려져 있습니다. 주기마다 같은 성질의 원소가 반복적으로 나타나기 때문에, 같은 족의 원소들은 서로 유사한 화학적 특성을 보이며 전자를 가지고 있으려 하는 비금속성은 대체로 오른쪽이 더 높으며, 반대로 전자를 주려고 하는 금속성은 대체로 왼쪽이 더 높습니다. 주기율표의 기본 구성은 크게 주기(Period)와 족 (Group)으로 구성이 됩니다. 주기는 가로 줄로 구성된 행으로 각 주기는 해당 원소의 전자껍질 수와 일치합니다. 족은 세로줄로 구성된 열로 같은 족에 속한 원소들은 같은 수의 최외각 전자를 가지며, 비슷한 화학적 성질을 가집니다. 동일한 족의 속한 원소들이 가지는 특이한 성질로 인해 아래와 같이 따로 구분하여 설명하기도 합니다. 

3. 주기율표(Periodic Table)의 특징

 주기율표의 주요 특징은 원소 배열의 경향을 통해 금속, 비금속, 준금속을 구분할 수 있습니다. 금속(Metal)의 성질을 가지는 원소들은 주로 주기율표의 왼쪽과 중앙에 위치하며, 대표적으로 철, 구리 등이 있습니다. 비금속(non-Metal)의 성질을 가지는 원소들은 주로 오른쪽 상단에 위치하며, 대표적으로 산소, 질소 등이 있습니다. 마지막으로 준금속(Metalloid)의 성질을 가지는 원소들은 대부분 주기율표 상에서 금속과 비금속의 경계에 위치하며, 대표적으로 규소, 붕소 등이 있습니다.

1) 1족 원소 (알칼리 금속(Alkali metal))

 1족 원소 또는 알칼리 금속(Alkali metal)은 리튬(Li), 소듐(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)으로 구성됩니다. 알칼리 금속은 부드럽고 밀도가 낮은 데다 녹는점과 끓는점이 낮으며 승화열, 기화열, 해리열 또한 낮습니다. 체심 입방의 결정 구조를 가지며, s-orbital에 존재하는 전자가 매우 쉽게 들뜨기 때문에 독특한 불꽃색을 가집니다. 이러한 독특한 전자 배열 때문에 원자 반지름과 이온 반지름이 매우 크며, 높은 열전도도와 전기 전도도를 가집니다. 화학적 성질은 최외곽 s-orbital에 있는 유일한 원자가(최외곽) 전자를 잃고 1가 양이온을 형성하는 것이 일반적인데 전자를 잃어 이온화되는 것이 쉽고, 두 번째 이온화 에너지는 매우 높습니다. 

2) 2족 원소 (알칼리 토금속(Alkaline earth metal))

 2족 원소 또는 알칼리 토금속(Alkaline earth metal)은  베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra)으로 구성됩니다. 알칼리 토금속은 최외곽 궤도에 2개의 전자가 채워져 있어 반응성이 매우 크며, 2가 양이온을 형성하려는 경향이 있습니다. 또한 전자를 받아들여 음이온이 되는 경우, s-orbital 이외에 새로운 orbital을 사용해야 하기 때문에, 전자 친화도가 음의 값을 가진다. 그러므로 알칼리 토금속 원소들은 음이온이 거의 되지 않고, 원자가전자 2개를 잃어버려 2가의 양이온이 되는 것이 자발적인 반응입니다. 

3) 17족 원소 (할로젠 (Halogen))

 17족 원소 또는 할로젠 (Halogen)은 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)으로 구성됩니다. 매우 반응성이 높은 비금속 원소로 이들 원자의 최외각 전자 궤도에는 전자가 7개 존재하기 때문에 다른 원소로부터 전자를 하나 받아 음이온이 되는 것이 자발적인 반응입니다. 특히 최외각 궤도에 전자를 1개 소유하는 수소 및 1족 원소(알칼리 금속)와 격렬하게 반응하여 염을 생성합니다. 홑 원소로 존재하는 것보다 원소 두 개가 결합된 분자 형태로 존재하는 것이 안정적인 원소입니다. 

4) 18족 원소 (비활성 기체(Inert gas))

 18족 원소 또는 비활성 기체(Inert gas) 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 등으로 구성됩니다. 이들 원소는 최외각 전자가 모두 궤도에 차있는 안정한 전자 배치를 가지기 때문에 다른 원소들과 화학 결합을 형성하기 어렵습니다. 따라서 반응성이 거의 없으며, 안정한 원소의 형태를 보입니다.

5) 3족~12족 원소 (전이 금속(transition metal))

 3족~12족 원소 또는 전이 금속(transition metal)은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe) 등으로 구성되어 있고 전이 금속도 일반 금속과 마찬가지로 광택, 전기 전도성, 열 전도성을 가집니다. 그 중에서도 비금속과 함께 이온 결합 화합물을 형성하는데, 이를 착 화합물이라고 하며 이때 일반 금속과는 달리 일정 수의 리간드와 함께 착이온 형태로 존재합니다. 이러한 전이 금속의 착 화합물 결합을 설명하기 위해 결정장 이론과 리간드장 이론이 탄생하기도 했습니다.