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이온화 에너지
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순차적이온화에너지(2차이온화에너지) : 네이버 블로그

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제 2 이온화 에너지

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제 2 이온화 에너지
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[화학1] 원소의 주기적 성질 (2) 이온화 에너지와 전자 친화도

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이온화 에너지의 정의와 경향

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이온화 에너지의 정의와 중요성

주기율표에서 이온화 에너지의 경향성

1차 2차 및 고차 에온화 에너지

이온화 에너지 경향의 예외

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이온화에너지(energy of ionization) | 과학문화포털 사이언스올

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[G. Chem] 16. 이온화에너지(Ionization Energy) :: Herald’s Lab

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순차적이온화에너지(2차이온화에너지)

​이온화에너지(E1)를 원자(보통 바닥상태의 안정한 원자)에서 전자를 한개 떼어내는데 필요한 에너지라고 합니다(또는 원자 1mol에서 전자 1mol을 떼어내는데 필요한 에너지). 이때 원자는 +1가의 양이온이 됩니다.

X(g) + energy ⟶ X+(g) + e−

1차 이온화 에너지 반응식 X ⟶ X+ + e−

2차 이온화 에너지 반응식 X+ ⟶ X2+ + e−

3차 이온화 에너지 반응식 X2+ ⟶ X3+ + e−

순차적이온화에너지( successive ionization energy) 란 이러한 양이온에서 전자를 또하나 떼어내어 2차이온화(E2)시켜 +2가 양이온으로, 전자를 또하나를 떼어 3차이온화(E3)시켜 +3가 양이온으로 순차적으로 계속 떼어낼때 필요한 에너지를 말합니다.

같은 주기에서는 주로 원자번호가 증가할때마다 이온화에너지도 증가합니다. 이것은 유효핵전하의 증가가 가리움효과(screening effect)보다 더 크기 때문입니다. 같은 원소에서 순차적이온화에너지는 전자를 떼어낼수록 증가합니다. ​이것은 원자의 전자반발력을 나타내는 가리움효과가 작아지기 때문입니다. 특히 최외각전자를 떼어낼때 순차적이온화에너지는 급격히 증가하는데, 원자내 가리움효과가 급격히 작아지기 때문입니다.



※ 가리움 효과 : 원자에 있는 전자(-)와 전자(-) 사이의 정전기적 반발력(척력)이 원자의 핵(+)과 전자(-) 사이의 인력을 약화시키는 효과이다. 따라서 가리움효과로 인해 전자를 떼어내기가 쉬워진다.

원소는 옥텟규칙에 의해 최외각전자수가 ​s오비탈 2개, s와 p오비탈에 8개 채워질때 가장 안정하므로, 이때 전자를 떼어내기 어려워 이온화에너지가 가장 큽니다. 2차이온화에너지일때는 원소들이 전자 한개를 이미 잃은 +1가 양이온상태이므로 그에 걸맞는 옥텟규칙이 적용되어 위의 그래프처럼 오른쪽으로 한칸씩 패턴이 이동합니다. 3차이온화에너지일때도 오른쪽으로 한칸씩 패턴이 이동합니다. 이렇게 8단계를 거치면 한 사이클(순환)이 역회전하여 본래 1차이온화에너지와 같은 상태가 됩니다.

순차적이온화에너지는 전자를 하나씩 떼어낼수록 많은 에너지가 필요하며, 이렇게 외핵의 전자를 모두 떼어내고, 내핵에 있는 전자를 떼어낼 경우에는 이온화에너지가 커지게 됩니다. 따라서 아래와 같은 패턴을 가지게 됩니다.

​원자(원소)의 체질(體質)은 전자의 음(陰,-)과 양(陽,+)의 상대적 크기에 의해 결정되는데, 이것은 전자배치를 통해 나타납니다. 순차적이온화에너지는 음(陰,-)과 양(陽,+)의 상대적 크기가 원소의 전자배치와 밀접한 관계가 있음을 나타냅니다.

[화학1] 원소의 주기적 성질 (2) 이온화 에너지와 전자 친화도

[화학1] 원소의 주기적 성질 (2) 이온화 에너지와 전자 친화도

– 이온화 에너지란

이온화 에너지(Ionization Energy, IE)는 (1) 기체 상태의 (2) 중성 원자 (3) 1몰 로부터 전자 1몰을 떼어내어 +1의 양이온을 만드는 데에 필요한 에너지의 양이다. 전자를 떼어내는 데에는 원자핵의 인력을 이겨낼 힘이 필요하므로 에너지를 가해줘야 한다.

– 전자 친화도란

전자 친화도(Electron Affinity, EA)는 (1) 기체 상태의 (2) 중성 원자 (3) 1몰 에 전자 1몰을 추가해 -1의 음이온을 만들 때 방출되는 에너지의 양이다. 일부 경우를 제외하면 전자를 받은 원자는 안정해지기 때문에 에너지를 외부로 방출하게 된다.

전자 친화도의 절대적인 크기는 (1), (3) 조건을 만족하는 -1의 음이온에 전자를 1몰만큼 떼어내어 중성 상태로 만드는 데 필요한 에너지의 크기와 같다. 이는 후술할 순차적 이온화 에너지를 통해 알아낼 수 있다.

이온화 에너지와 전자 친화도는 별개의 개념이 아니며, 서로 연관이 강하다.

– 이온화 에너지의 주기성

이온화 에너지를 결정하는 요인은 원자 반지름과 마찬가지로 유효 핵전하와 전자 껍질 수이다. 같은 족과 주기 내에서 가지는 이온화 에너지의 주기성은 아래와 같다.

1) 같은 족 내에서의 주기성

같은 족 내에서는 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수가 증가한다. 따라서 원자핵과 전자 사이의 인력은 감소하고 이온화 에너지는 감소한다.

2) 같은 주기 내에서의 주기성

같은 주기 내에서는 원자 번호가 증가할수록 유효 핵전하는 증가하고 전자 껍질 수는 변화하지 않는다. 따라서 외각의 전자를 떼어내기 어려워지고 이온화 에너지는 증가한다.

– 이온화 에너지의 예외적 경향

위에서 말했듯 이온화 에너지가 같은 족에서는 원자번호가 클수록 작아지고 같은 주기에서는 원자번호가 클수록 커지는 것을 볼 수 있다. 하지만 Be-B, N-O 구간과 같이 2주기에서 13주기, 15주기에서 16주기로 넘어갈 때는 이온화 에너지가 오히려 원자번호가 더 큼에도 불구하고 작아지는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 아래와 같다.

1) Be-B

베릴륨은 이미 전자 4개가 2s 오비탈까지 하여 모두 다 채워진 상태이다. 반면에 붕소는 2p 오비탈에 전자가 하나 더 추가적으로 채워진 상태이다. 전자를 떼어낸다 하였을 때 전자가 완전히 찬 2s 오비탈에서 떼어내는 것보다는 2p 오비탈의 홀전자 하나를 떼어내는 것이 더 쉽다. 따라서 붕소보다 베릴륨의 이온화 에너지가 커지게 된다. 이는 다른 주기의 2족-13족 사이에서도 대체적으로 성립한다.

2) N-O

질소는 2p 오비탈에 전자 3개가 들어감으로서 스핀 다중도가 최대인 안정한 배치를 갖는다. 반면에 산소는 2p 오비탈에 전자 4개가 들어감으로서 짝지은 전자가 발생하여 오히려 스핀 다중도가 감소하였다. 스핀 다중도가 클수록 안정하기 때문에 산소의 전자를 떼어내는 것이 질소의 전자를 떼어내는 것보다 더 쉽다. 따라서 질소보다 산소의 이온화 에너지가 커지게 된다. 이는 다른 주기의 15족-16족 사이에서도 대체적으로 성립한다.

– 순차적 이온화 에너지

순차적 이온화 에너지는 기체 원자에서 전자를 차례대로 떼어낼 때, 각 단계에서 가지는 이온화 에너지의 크기이다.

전자를 계속해서 떼어낼 수록 원자핵의 전하는 그대로지만 전자들 간의 반발은 줄어들어 유효 핵전하는 커진다. 따라서 이온화 에너지는 반드시 이전의 경우보다 큰 값을 가진다. 하지만 유독 이온화 에너지가 크게 증가하는 경우가 반드시 존재한다. 이는 전자 껍질 수에 변화가 발생하였다는 것을 의미하고, 이를 이용하여 그 원소의 원자가 전자 수를 알아낼 수 있다. (원자가 전자는 반응에 참여할 수 있는 전자의 수로, 최외각 전자 수와 관련이 있다.)

위 그래프에서 나트륨은 E2, 즉 2차 이온화 에너지가 1차 이온화 에너지에 비해 큰 폭으로 증가했으므로 2번째로 전자를 떼어내면서 전자 껍질의 변화가 있었다는 뜻이 된다. 따라서 나트륨의 원자가 전자 수는 1개라는 것을 알 수 있다.

어떠한 음이온으로부터 전자를 하나 떼어낼 때 필요한 이온화 에너지를 E0, 즉 0차 이온화 에너지라고 하자. 그러면 이를 아래와 같이 나타낼 수 있다.

이온화 에너지는 반드시 그 전의 것보다 크기가 크므로 1차 이온화 에너지 E1은 E0보다 항상 크게 된다. 이때 E0의 크기는 위에서 말했듯 그 원소의 전자 친화도와 크기가 같다. 따라서 여기서 전자 친화도는 원소의 종류에 관계 없이 이온화 에너지보다 크기가 작다는 것을 알 수 있다.

– 전자 친화도의 주기성

전자 친화도는 쉽게 얘기해 전자를 추가해줬을 때 얼마나 안정해지는 지에 대한 척도이다. 전자를 받아들였을 때 얼마나 안정해지냐는 유효 핵전하가 결정한다. 유효 핵전하가 커질수록 전자를 받아들였을 때 많이 안정시켜줄 수 있으므로 전자 친화도가 커진다.

1) 같은 족 내에서의 주기성

같은 족에서는 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수가 증가하고 이에 따라 핵과 전자 사이의 인력은 작아진다. 따라서 전자 친화도는 감소한다.

2) 같은 주기 내에서의 주기성

같은 주기에서는 원자 번호가 증가할수록 전자 껍질 수에는 변화가 없고 유효 핵전하는 증가한다. 따라서 전자 친화도는 증가한다.

또한, 가장 모든 원소 중에서 가장 큰 전자 친화도의 값도 가장 작은 이온화 에너지보다 작기 때문에 모든 경우에 전자 친화도는 이온화 에너지보다 작다.

– 전자 친화도의 예외적 경향

전자 친화도는 아래와 같은 예외적 경향을 보인다.

1) 2족 금속은 안정한 음이온이 존재하지 않는다.

2족 원소들의 경우는 유입된 원자가 불안정한 2p 오비탈에 배치된다. 따라서 전자가 유입되지 않았을 때에 비해 안정하지 않다.

2) 15족은 16족보다 전자 친화도가 작다.

15족 원소는 전자를 받아들였을 때 그렇지 않을 때보다 스핀 다중도가 감소하면서 불안정해진다. 따라서 16족 원소에 비해 전자 친화도가 작아진다.

3) 15~17족 2, 3주기 원소에는 전자 친화도가 역전된다.

원래는 2주기 원소가 3주기 원소에 비해 큰 전자 친화도를 가져야 한다. 하지만 15~17족의 경우는 비정상적으로 작은 원자 크기 때문에 전자를 추가했을 때 안정화되지 않는다. 따라서 같은 족의 3주기 원소와 전자 친화도가 역전된다. 그래서 가장 큰 값의 전자 친화도를 가지는 것은 플루오르가 아니라 염소가 된다.

이온화 에너지의 정의와 경향

이온화 에너지 정의와 경향

이온화 에너지의 정의와 중요성

이온화 에너지는 ‘기체 원자 또는 이온에서 전자를 제거하는데 필요한 에너지’를 뜻합니다. 구체적으로는, 원자 또는 분자의 첫 번째 이온화 에너지 Ei(Initial ionization energy)는 기체 원자 또는 이온에서 1몰의 전자를 제거하는데 필요한 에너지로 정의됩니다. 이러한 정의로 인해 이온화 에너지의 단위는 주로 kJ/mol 또는 eV가 사용됩니다.

결국 이온화 에너지는 전자를 제거하기가 얼마나 어려운지 또는 어떤 원자나 분자 또는 이온에 포함되어있는 전자가 얼마나 강하게 결합되어있는지 그 강도를 나타내는 척도로 생각할 수 있습니다. 이온화 에너지가 높을수록 더 많은 에너지가 필요하기에 전자를 제거하기가 더 어렵다는 뜻입니다. 또한, 어떤 화학 결합의 형성 또는 제거에는 전자가 함께 이동하여야 되기 때문에 이온화 에너지는 반응성을 나타내는 지표로도 활용이 가능합니다. 결국, 이온화 에너지는 화학 결합의 강도를 예측하고 이해하는데 필요한 개념이기 때문에 매우 중요합니다.

주기율표에서 이온화 에너지의 경향성

원자의 반경, 전기음성도, 전자 친화도와 마찬가지로 이온화 에너지 또한 주기율표상에서 그 경향성을 확인할 수 있습니다.

주기율표에서 이온화 에너지의 경향성 (출처 : Web elements)

일반적으로, 이온화 에너지는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 증가합니다. 이는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자 반경이 작아지며 음전하의 전자와 양전하의 원자핵 사이에 더 큰 인력이 작용하고 이로 인해 전자를 떼어내기가 더 어려워지기 때문입니다. 따라서 주기율표상 가장 왼쪽에 위치한 알칼리 금속 원소들이 가장 이온화 에너지가 작고 가장 오른쪽에 있는 비활성 기체 원소들의 이온화 에너지가 가장 크다고 예측할 수 있습니다. 특히, 비활성 기체의 경우 전자껍질이 다 채워져 있는, 즉 옥텟규칙을 만족하기 때문에 이미 충분히 안정화 되어있는 상태이고 이로 인해 전자를 떼어내기가 쉽지 않습니다.

이온화 에너지는 같은 족에서 위에서 아래로 내려갈수록 감소합니다. 이는 가장 바깥 쪽 전자의 주양자수가 원자 번호가 증가함에 따라 함께 증가하기 때문입니다. 같은 족에서 한 주기 후의 원자는 더 많은 원자핵, 즉 양성자를 가지고 있는데 이로 인해 전자를 더 강하게 끌어당겨 안쪽 껍질의 전자를 더 작게 만듭니다. 이렇게 더 작아진 원자 껍질은 실질적으로 바깥쪽의 전자를 핵의 인력으로부터 차단하는 효과를 나타내고 이를 조금 더 전문적인 용어로 표현하면 ‘유효핵전하가 작아진다’고 표현합니다. 따라서 같은 족에서 원자 번호가 증가할수록 더 많은 전자 껍질들이 추가되기에 가장 바깥쪽의 전자는 점점 원자핵에서 멀어지며 그만큼 전자를 떼어내기가 쉽습니다.

1차, 2차 및 고차 에온화 에너지

1차 이온화 에너지는 ‘중성 상태’의 원자에서 가장 바깥 쪽 전자를 제거하는데 필요한 에너지입니다. 자연스럽게 2차 이온화 에너지는 1개의 전자를 잃은 1가 음이온의 상태에서 가장 바깥 쪽 전자를 제거하는데 필요한 에너지라고 볼 수 있습니다. 2차 이온화 에너지는 항상 1차 이온화 에너지보다 큰 경향이 있습니다. 예를 들어, 알칼리 금속의 경우 1개의 최외각 전자를 가지고 있기 때문에 1개의 전자를 제거하면 옥텟 규칙을 만족할 수 있어 상대적으로 1차 이온화 에너지가 낮습니다. 하지만 두 번째 전자를 제거하기 위해서는 첫 번째 전자 대비 원자핵에 더 가까이 위치하여 강하게 결합된 전자를 제거해야 하기 때문에 큰 이온화 에너지가 필요하게 됩니다.

참고로, 수소의 1차 이온화 에너지는 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

H(g) → H+(g) + e-

ΔH ° = -1312.0 kJ / mol

이온화 에너지 경향의 예외

이온화 에너지의 경향성 (출처 : Chem Libretexts)

주기율표를 보면 앞서 말씀드린 일반적인 경향과 다른 추세를 보이는 원소들을 발견할 수 있습니다. 2주기 원소를 기준으로 보면 첫 번째로, 붕소(B)의 1차 이온화 에너지는 베릴륨(Be)보다 작으며 두 번째로, 산소(O)의 1차 이온화 에너지는 질소(N)보다 작습니다. 이러한 불일치는 원소들을 구성하는 전자들의 전자배치와 훈트의 규칙(Hund’s rule) 때문에 발생하는 현상입니다.

베릴륨과 붕소의 이온화와 전자배치

베릴륨의 경우 1차 이온화를 위해서는 가득 찬 2s 오비탈의 전자를 제거해야 하지만 붕소의 경우 하나의 전자가 추가된 2p 오비탈의 전자를 제거하면 됩니다. 즉, 짝지어진 2s 오비탈의 전자보다 2p 오비탈의 홑전자를 떼어내기가 쉽기 때문에 원자번호가 높은 붕소(B)의 1차 이온화 에너지가 작습니다.

질소와 산소의 이온화와 전자배치

질소와 산소의 경우 1차 이온화를 위해서는 모두 2p 오비탈의 전자를 제거해야 합니다. 질소의 전자배치를 보면 2p 오비탈에 홑전자 3개가 배치될 수 있습니다. 하지만 산소의 경우 4개의 전자가 2p 오비탈에 배치되어야 하는데 훈트의 규칙에 의해 1쌍, 즉 2개의 짝지어진 전자가 만들어지며 2개의 홑전자가 남은 두개의 2p 오비탈에 배치되게 됩니다. 즉, 산소의 경우 짝지어진 전자의 반발로 인해 질소의 홑전자 대비 상대적으로 전자를 제거하기가 쉬워 산소의 1차 이온화 에너지가 질소보다 작아지게 됩니다. 이를 조금 다르게 표현하면 산소의 스핀 다중도가 질소보다 낮기 때문에 일어나는 현상이라고 할 수 있습니다.

요약

1. 이온화 에너지는 기체 상태의 원자 또는 이온에서 전자를 제거하는데 필요한 에너지이다.

2. 이온화 에너지의 단위는 주로 kJ/mol 또는 eV가 사용된다.

3. 1차 이온화 에너지는 2차 이온화 에너지보다 작다.

4. 일반적으로 주기율표상 오른쪽으로, 위쪽으로 갈수록 1차 이온화 에너지가 높아진다.

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