전자 배치

전자 배치는 원자 또는 분자의 전자 구조를 나타내기 위한 방법으로서 그 전자들이 오비탈에 분포된 상황을 보여준다. '분자의 전자 배치(molecular electron configuration)와 유사하게 다전자 원자(many-electron atom)에 있어서 전자들은 여러 원자 오비탈을 점유하고 있다. 이때 주양자수 @@NAMATH_INLINE@@n@@NAMATH_INLINE@@이 같은 오비탈은 껍질(shell)을 형성하고, 껍질 내에서 각운동량 양자수¹⁾ @@NAMATH_INLINE@@\ell@@NAMATH_INLINE@@이 같은 오비탈은 부껍 (subshell)을 형성한다.

전자가 하나인 수소 원자에서 원자 오비탈의 에너지는 오직 주양자수에 따라 결정된다. 즉, 같은 껍질의 전자의 에너지는 모두 같다. 그러나 다전자 원자에서 원자 오비탈의 에너지는 주양자수와 각운동량 양자수에 따라 같은 껍질 내에서도 부껍질에 따라 그 에너지가 다르다. 원자의 전자 배치는 부껍질에 분포된 전자들을 명시한 것으로서 전자가 들어 있는 부껍질에 들어 있는 전자 수를 위첨자로 표기하며 부껍질은 에너지가 증가하는 순으로 나열한다.

원자의 바닥 상태 전자 배치는 쌓음 원리(aufbau principle)를 적용하여 파울리 배타 원리(Pauli exclusion principle)를 만족시키며 가장 낮은 에너지의 부껍질부터 차례로 전자를 채워서 예측할 수 있다. 바닥 상태 전자 배치를 제외한, 파울리 배타 원리를 만족하는 다른 전자 배치는 모두 들뜬 상태 전자 배치이다.

전자 배치에서 가장 바깥 주양자수가 가장 큰 껍질을 원자가 껍질(valence shell)이라고, 이 껍질의 전자를 원자가 전자(valence electron)라고 부른다. 전자로 완전히 채워진 안쪽의 핵심부 껍질(core shell)의 전자를 핵심부 전자(core electron)이다. 특히 원자가 전자는 화학적으로 매우 중요하여, 여러 가지 화학적 성질이나 화학 결합을 결정한다.

원자의 전자 배치는 주기율표의 구조와 원소의 여러 성질의 주기성을 이해하는 데 기본이 되며, 물질의 화학적 성질과 화학 결합을 설명하는 데에도 중요하다.

목차

전자 배치에서 부껍질을 표기하는 방법은 원자 오비탈을 표기할 때와 유사하다. 먼저 주양자수를 적고 이어서 부껍질의 각운동량 양자수를 적는데, 각운동량 양자수는 숫자 @@NAMATH_INLINE@@0, 1, 2, 3, \cdots@@NAMATH_INLINE@@ 대신 기호 @@NAMATH_INLINE@@s, p, d, f, \cdots@@NAMATH_INLINE@@를 사용한다. 예를 들면, @@NAMATH_INLINE@@1s, 2s, 2p @@NAMATH_INLINE@@은 낮은 에너지의 부껍질이다(원자 오비탈과는 달리 @@NAMATH_INLINE@@2p@@NAMATH_INLINE@@ 부껍질에 @@NAMATH_INLINE@@x@@NAMATH_INLINE@@나 @@NAMATH_INLINE@@y@@NAMATH_INLINE@@ 같은 아래 첨자는 붙이지 않는다.).

원자의 전자 배치는 전자가 들어 있는 대개 에너지 순으로 나열한 부껍질들을 차지하는 전자의 수를 표기한 것이다. 예를 들면, 탄소(C)의 바닥 상태에서 6개 전자는 @@NAMATH_INLINE@@1s, 2s, 2p @@NAMATH_INLINE@@ 부껍질에 각각 2개씩 들어 있음으로 전자 배치는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^2@@NAMATH_INLINE@@이다. 알루미늄(Al)의 바닥 상태에서 13개 전자는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1@@NAMATH_INLINE@@와 같이 분포한다.

전자의 수가 많아질수록 이러한 전자 배치 표기는 매우 길어지므로, 비활성 기체의 전자 배치를 이용하는 약식 표기법이 사용된다. 아래 표에서 볼 수 있는 것처럼 비활성 기체의 바닥 상태 전자 배치는 모든 껍질이 전자로 꽉 채워진다. 전자 배치의 약식 표기법에서는 비활성 기체의 바닥 상태 전자 배치에 해당하는 부분을 아래 표의 '약식 표기' 열에서와같이 대체한다.

예를 들면, Al의 전자 배치에서 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^6@@NAMATH_INLINE@@ 부분을 이에 대응하는 비활성 기체 [Ne]로 나타내어 @@NAMATH_INLINE@@[Ne] 3s^2 3p^1@@NAMATH_INLINE@@로 표기한다.

바닥 상태에 있는 원자의 전자 배치는 쌓음 원리에 의하여 예측할 수 있다. 전자들이 원자의 부껍질을 채우는 순서는 보통 독일의 물리학자 마델룽(Erwin Madelung)이 제안한 마델룽 규칙(또는 @@NAMATH_INLINE@@n + \ell@@NAMATH_INLINE@@ 규칙)을 이용하여 정한다. 이 규칙에 의하면, 부껍질은 양자수 @@NAMATH_INLINE@@n + \ell@@NAMATH_INLINE@@ 값이 증가하는 순으로 채워지고, 이 값이 같을 때는 양자수 @@NAMATH_INLINE@@n@@NAMATH_INLINE@@ 값이 더 작은 부껍질이 먼저 채워진다 (그림 1).

그림 1. 마델룽 규칙(또는 @@NAMATH_INLINE@@n+\ell@@NAMATH_INLINE@@ 규칙)에 의하여 부껍질이 채워지는 순서. 붉은색 화살표가 지나는 부껍질은 같은 @@NAMATH_INLINE@@n+\ell@@NAMATH_INLINE@@ 값을 가지며, 화살표의 방향대로 부껍질이 채워진다. ()

마델룽 규칙을 적용하면 바닥 상태에서 전자가 부껍질을 채우는 순서는 다음과 같다.

그러나 마델룽 규칙은 이론적 근거가 있는 절대적인 규칙은 아니며, 3주기 원소까지는 잘 지켜지지만, 그 이후 원소에서는 예외들이 관찰된다.

부껍질에 전자가 채워질 때 파울리 배타 원리를 만족해야 하므로 각 부껍질에 들어갈 수 있는 전자의 수에 제한이 있다.

예를 들어, 쌓음 원리를 이용한 전자가 7개인 질소(N) 원자의 바닥 상태 전자 배치는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^3 @@NAMATH_INLINE@@이다. 하나의 전자 배치에 여러 전자 상태들이 대응할 수 있으므로 원소들의 전자 배치만으로는 원자의 전자 상태를 완전히 규정할 수 없다. 원자의 전자 상태를 완전하게 명시하려면 원자 항기호(atomic term symbol)를 사용해야 한다.

바닥 상태 전자 배치와 다른, 파울리 배타 원리를 만족시키는 전자 배치는 모두 들뜬 상태 전자 배치이다. 바닥 상태 전자 배치와는 달리 특정 들뜬 상태의 전자 배치를 예측할 방법은 없다.

예를 들면, 소듐(Na) 원자의 바닥 상태 전자 배치는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^6 3s^1@@NAMATH_INLINE@@이다. 여기서 @@NAMATH_INLINE@@3s@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈의 전자가 @@NAMATH_INLINE@@3p@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈로 들뜬다면, 전자 배치는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^6 3p^1@@NAMATH_INLINE@@이 된다. 이는 Na의 첫 번째 들뜬 상태 전자 배치에 해당한다. 만약 바닥 상태 전자 배치에서 @@NAMATH_INLINE@@2p @@NAMATH_INLINE@@ 오비탈의 전자 하나가 @@NAMATH_INLINE@@3s@@NAMATH_INLINE@@ 오비탈로 들뜨면 전자 배치는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^5 3s^2@@NAMATH_INLINE@@이 된다. 이는 Na의 또 다른 들뜬 상태의 전자 배치로, 이 상태는 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^6 3p^1@@NAMATH_INLINE@@전자 배치 상태보다 더 높은 에너지를 가진 들뜬 상태이다.

주족 원소들의 경우 원자가 전자는 가장 바깥의, 주양자수가 가장 큰 껍질에 있는 전자이다. 예를 들어, 알루미늄(Al)의 바닥 상태 전자 배치 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1@@NAMATH_INLINE@@에서, 가장 바깥 껍질@@NAMATH_INLINE@@(n=3)@@NAMATH_INLINE@@인 @@NAMATH_INLINE@@3s^2 3p^1@@NAMATH_INLINE@@는 원자가 껍질이고, 이 껍질의 전자 3개가 원자가 전자이다. 전자가 완전히 채워진 안쪽의 @@NAMATH_INLINE@@1s^2 @@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@2s^2 2p^6 @@NAMATH_INLINE@@껍질은 핵심부 껍질이고, 이 껍질의 전자들이 핵심부 전자이다.

그러나 전이 금속 원소의 경우 부분적으로 채워진 @@NAMATH_INLINE@@(n - 1)d@@NAMATH_INLINE@@ 부껍질은 가장 바깥의 @@NAMATH_INLINE@@ns@@NAMATH_INLINE@@ 부껍질과 에너지 차이가 크지 않아, 이 껍질의 @@NAMATH_INLINE@@(n - 1)d@@NAMATH_INLINE@@ 전자들은 종종 원자가 전자로 거동한다. 예를 들면, 망가니즈(Mn)의 전자 배치는 @@NAMATH_INLINE@@[Ar] 4s^2 3d^5@@NAMATH_INLINE@@이고, 비활성 기체 Ar의 전자 배치에 해당하는 핵심부 전자들을 제외한 @@NAMATH_INLINE@@4s^2 3d^5@@NAMATH_INLINE@@의 7개 전자는 원자가 전자로 간주할 수 있다. 이는 망가니즈의 최대 산화수(oxidation number)가 7인 것과 일치한다. 그러나 원자번호가 증가할수록 이러한 경향은 감소하여, @@NAMATH_INLINE@@(n - 1)d@@NAMATH_INLINE@@ 전자를 원자가 전자로 간주할 수 있는지 예측하기는 쉽지 않다. 란타넘족과 악티늄족 원소에 대해서도 유사한 경향이 나타난다.

그림 2. 전자 배치에 따른 주기율표의 구역. ()

주기율표의 구조는 원소들의 바닥 상태 전자 배치와 밀접한 관련이 있다. 주기율표에서 같은 족(group)에 있는 원소들은 모두 동일한 원자가 껍질 전자 배치를 가진다.²⁾ 예를 들어, 2족 원소들의 전자 배치는 모두 @@NAMATH_INLINE@@\cdots ns^2 @@NAMATH_INLINE@@이고, 13족 원소의 전자 배치는 모두 @@NAMATH_INLINE@@\cdots ns^2 np^1 @@NAMATH_INLINE@@이다. 따라서 같은 족 원소들은 모두 원자가 전자의 수가 같고, 비슷한 화학적 성질을 갖는다.

그림 2는 바닥 상태 원자들에 대하여 원자 번호가 증가함에 따라 부껍질들이 전자로 채워지는 방식을 보여준다. 이에 따르면 주기율표는 4개 구역으로 구분된다. 예를 들어 1족과 2족 원소는 최종적으로 전자가 @@NAMATH_INLINE@@s@@NAMATH_INLINE@@ 부껍질을 채우기 때문에 @@NAMATH_INLINE@@s@@NAMATH_INLINE@@-구역 원소라고, 13~18족 원소는 최종적으로 전자가 @@NAMATH_INLINE@@p@@NAMATH_INLINE@@ 부껍질을 채우기 때문에 @@NAMATH_INLINE@@p@@NAMATH_INLINE@@-구역 원소라고 부른다. 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼, 주기율표에서 나타나는 주기성은 @@NAMATH_INLINE@@s, p, d, f@@NAMATH_INLINE@@ 부껍질에 들어가는 전자수(즉, 2, 6, 10, 14)가 고정된 것에 기인한다. 또한 그림 2는 각 주기별로 전자 껍질을 완전히 채우는 데 필요한 전자수가 차례로, 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32인 것을 보여준다.

1. 각운동량 양자수를 방위 양자수 (azimuthal quantum number)라고도 부른다.
2. 이 말은 주족 원소에 대해서만 엄격하게 성립하고, 전이 금속, 란타넘족 또는 악티늄족 원소에는 예외들이 존재한다.