원소 주기율표 · PeriodicLab

3D 원소 주기율표. 118가지 원소가 기둥으로 솟아 원자 반지름, 전기 음성도, 이온화 에너지의 주기율을 보여 준다. 온도를 드래그해 상태 변화를 보고, 원소 발견의 역사를 재생하고, 장주기형·나선·동심원 사이를 변형하며, 어떤 원소든 열어 원자 구조와 홑원소 물질의 모습을 볼 수 있다.

과목: 화학 · 대상: 중학교, 고등학교 · 학습 내용: 주기율, 전자 껍질, 상태와 온도, 원소 발견의 역사

단원 내용

주기율표 알아보기

118가지 원소는 원자 번호(핵전하) 순서대로 7개의 행과 18개의 열로 배열된다. 행을 주기라 하며 같은 주기의 원자는 전자 껍질 수가 같다. 열을 족이라 하며 같은 족의 원자는 최외각 전자 수가 같아 화학적 성질이 비슷하다.

색은 원소의 종류를 나타낸다. 오른쪽 범례에서 종류를 클릭해 금속, 비금속, 비활성 기체가 표의 어디에 있는지 살펴보고, 아무 블록이나 클릭해 클로즈업을 열어 보자.

전자 껍질과 주기

동심원 배치로 바꿔 보자. n번째 고리가 제n주기이며, 그 주기의 원자는 모두 전자 껍질 n개를 가진다. 고리의 칸 수는 차례로 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32로, 각 주기에 속한 원소 수와 같다.

나트륨 클로즈업을 열어 보자. 나트륨 원자는 전자 껍질이 3개이고 배치는 2, 8, 1이다. 최외각 전자가 1개뿐이라 쉽게 잃기 때문에 나트륨은 매우 활발하다. 같은 족의 칼륨도 살펴보자.

원자 반지름과 전기 음성도

블록이 기둥으로 솟아오르고, 높이가 원자 반지름을 나타낸다. 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 가면 전자 껍질 수는 그대로인데 핵전하가 커져 원자핵이 바깥 전자를 더 세게 끌어당기므로 반지름이 점점 작아진다. 같은 족에서 위에서 아래로 가면 전자 껍질이 늘어 반지름이 점점 커진다. 그래서 왼쪽 아래의 세슘과 프랑슘이 가장 크다.

이제 전기 음성도로 바꿔 보자. 화합물에서 원자가 전자를 끌어당기는 정도로, 규칙은 정반대여서 오른쪽 위로 갈수록 커지고 플루오린이 가장 크다(3.98). 비활성 기체에는 보통 값을 매기지 않는다.

이온화 에너지의 톱니

제1 이온화 에너지는 기체 상태의 원자에서 전자 1개를 떼어 내는 데 필요한 최소 에너지다. 오른쪽 꺾은선 그래프를 보자. 모든 주기가 알칼리 금속의 골짜기에서 비활성 기체의 봉우리로 올라가 톱니처럼 늘어선다. 이것이 주기율을 가장 직관적으로 보여 주는 모습이다.

제2주기를 자세히 보면 작은 꺾임이 두 군데 있다. Be가 B보다, N이 O보다 높다. Be는 2s 오비탈이 꽉 차 있고 N은 2p 오비탈이 반쯤 차 있어 비교적 안정하므로 전자를 떼어 내기가 더 어렵다.

상태와 온도

온도를 드래그해 상압에서 각 홑원소 물질이 고체, 액체, 기체 중 무엇인지 살펴보자. 실온(298 K)에서 액체는 브로민과 수은뿐이고 기체는 11가지로 모두 비금속이다.

10 K까지 내리면 헬륨을 빼고 모두 얼고, 303 K까지 올리면 갈륨과 세슘도 녹는다. 갈륨은 손바닥 위에서도 녹는다. 3000 K를 넘으면 금속이 하얗게 달아올라 빛나고, 텅스텐의 녹는점은 3695 K로 금속 중 가장 높다.

원소 발견의 역사

고대에 알려진 원소는 열 가지 남짓이었다. 재생을 눌러 원소가 발견된 해에 하나씩 불이 켜지는 모습을 보자. 18세기의 화학 분석, 19세기 초의 전기 분해, 1860년대의 분광 분석처럼 새로운 방법이 나올 때마다 새 원소가 무더기로 발견되었다.

1869년 멘델레예프가 주기율표를 만들 때 알려진 원소는 63가지뿐이었다. 그는 과감하게 미지의 원소를 위한 빈칸을 남기고 그 성질을 예언했으며, 나중에 발견된 갈륨, 스칸듐, 저마늄이 그의 예언을 증명했다.

나선과 동심원

주기율표를 그리는 방법은 하나가 아니다. 나선형 주기율표는 원소를 하나의 이어진 나선 위에 놓아 한 바퀴가 한 주기가 되며, 같은 족의 원소는 같은 ‘바큇살’에 놓인다. 원소의 성질이 원자 번호에 따라 주기적으로 되풀이된다는 점을 강조한다.

족을 하나 골라 같은 족의 원소를 빛의 선으로 이어 보고, 장주기형, 나선, 동심원을 오가며 그 선이 어떻게 바뀌는지 살펴보자.

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