주기율표는 성질의 지도다
주기율표는 외우는 목록이 아니라 지도다. 원소가 놓인 자리가 곧 그 성질을 알려줘요. 이번 강에서는 세 가지 흐름, 곧 원자 반지름과 이온화 에너지와 전기음성도를 본다. 그리고 이 셋은 결국 하나의 원인, 유효 핵전하 Zeff로 모여요. Zeff는 바깥 전자가 실제로 느끼는 알짜 끌림이다. 주기를 오른쪽으로 가면 껍질은 그대로인데 양성자가 늘어 Zeff가 커지고, 족을 아래로 가면 새 껍질이 전자를 바깥으로 밀어낸다. 첫 그림에서 표를 성질별로 색칠해 그 흐름을 눈으로 본다.
표에서 성질 하나를 고른다. 반지름을 고르면 왼쪽 아래가 밝고 오른쪽 위가 어두워요. 곧 반지름은 왼쪽으로, 아래로 갈수록 커진다. 이온화 에너지나 전기음성도를 고르면 색이 거의 뒤집혀서 오른쪽 위가 밝아져요. 원소를 누르면 값이 나온다. 같은 표가 성질에 따라 완전히 다른 지도로 보이는 게 핵심이에요.
왜 그런 지도가 나올까요? 먼저 반지름만 따로 걸어 본다. 주기를 오른쪽으로 한 칸씩 가면 껍질 수는 그대로인데 양성자가 하나씩 늘어요. 그래서 바깥 전자가 느끼는 끌림 Zeff가 커지고 전자 구름이 안으로 당겨져 반지름이 줄어든다. 반대로 족을 아래로 가면 새 껍질이 하나씩 더 생겨서 바깥 전자가 더 먼 껍질에 놓이고 반지름이 커져요. 고리 수와 Zeff 표시를 같이 놓고 걸으면 흐름이 잡힌다.
이온화 에너지는 전자를 하나씩 떼어내는 데 드는 값이다. 소듐(Na)에서 전자를 계속 떼어내 본다. 첫 전자는 헐겁게 붙은 바깥 껍질 전자라 싸게 떨어져요. 그런데 두 번째부터는 안쪽 껍질을 깨야 해서 값이 껑충 뛴다. 이 큰 도약이 껍질의 경계예요. Na는 도약이 1개 뗀 뒤와 9개 뗀 뒤에 나타나서 전자 배치 2, 8, 1을 그대로 드러낸다.
전기음성도는 두 원자가 결합 전자쌍을 자기 쪽으로 당기는 힘이다. 두 원자의 전기음성도 차이 ΔEN을 슬라이더로 바꿔 본다. 차이가 거의 없으면 전자 구름이 가운데 머무는 비극성 결합이에요. 차이가 커지면 구름이 전기음성도가 큰 쪽으로 쏠려서 한쪽은 부분 음전하 δ−, 다른 쪽은 부분 양전하 δ+가 되는데, 이것이 극성 결합이다. 차이가 아주 크면 전자가 사실상 넘어가 이온 결합이 돼요. 같은 원리가 세기만 다르게 나타나는 것이다.
이제 모든 흐름을 하나로 모은다. 바깥 전자가 실제로 느끼는 끌림은 Zeff = Z − S로 정해져요. Z는 양성자 수, S는 안쪽 전자들이 가려주는 양이다. 양성자를 더하면 Zeff가 커져서 반지름은 줄고 이온화 에너지와 전기음성도는 커진다. 가림 전자를 더하면 Zeff가 작아져 정반대로 움직여요. 주기를 가로지르는 건 양성자만 더하는 것이고 족을 내려가는 건 껍질과 가림을 함께 더하는 것이라, 세 흐름이 결국 이 한 숫자로 설명된다. 두 슬라이더를 움직이면 세 막대가 함께 반응해요.