가변 원자가

가변 원자가(variable valence)란 원소가 다양한 전하를 띤 이온을 형성하여 여러 이온 화합물을 형성하는 것을 가리킨다.

주족 원소들은 이온화(ionization)를 통해 이온의 바닥 상태 전자 배치가 18족 원소의 전자 배치와 동일하게 되는 경향성을 갖는다. 원자 번호 11인 Na은 최외각 전자를 하나 잃는 이온화를 통해 Na⁺가 되면서 네온과 같은 전자 배치(1s² 2s² 2p⁶)를 갖는다. 이때, Na의 2차 이온화 에너지 값은 크기가 매우 커서 Na²⁺는 생성되지 않으며, 소듐은 오직 Na⁺ 이온에 의한 이온 화합물을 형성한다. 같은 주기의 2족 마그네슘과 13족 알루미늄 또한 이온화를 통해 Mg²⁺, Al³⁺가 형성되어 모두 네온과 같은 전자 배치를 갖는다. 소듐과 마찬가지로 Mg의 3차, Al의 4차 이온화 에너지 값은 그 크기가 매우 커서 Mg³⁺, Al⁴⁺는 생성되기 어렵고, Mg⁺, Al⁺, Al²⁺가 존재하지만 음이온 X^-와 이온 화합물을 형성할 때 Mg²⁺, Al³⁺에 의한 이온화합물이 열역학적으로 가장 안정하기 때문에 오직 Mg²⁺, Al³⁺에 의한 이온 화합물만 형성된다.

주족 원소 중에서 1, 2, 13족 원소들은 전자를 잃어 속껍질(inner shell)의 전자 배치를 갖는 이온화를 갖는 반면, 비금속 원소들은 1차 이온화 에너지가 커 전자를 잃기 어려우므로 오히려 전자를 채워서 같은 주기 18족 원소와 동일한 전자 배치를 갖는 이온화가 진행된다. 2주기 16족 산소 원자는 전자 두 개를 얻어 O^2-, 17족 플루오린 원자는 전자 한 개를 얻어 F^- 이온이 되면서 2주기 18족 원소인 Ne과 같은 전자 배치를 갖는다. 산소와 플루오린 모두 O^3-, F^2- 이온은 생성되지 않는데, 그 이유는 해당 이온이 만들어질 때 매우 큰 에너지가 필요하기 때문이다. 이처럼 주족 원소들은 대체로 이온 화합물을 형성하기 위해 한 종류의 전하를 띤 이온을 형성한다.

하지만 d 오비탈에 전자가 부분적으로 채워진 전이 금속 원소들이나 13~14족 원소 중 주기가 큰 원소들은 앞서 설명한 주족 원소들과는 다른 경향을 보인다. 한 예로 5주기 14족 원소인 주석은 산화물로 SnO, SnO₂ 두 가지가 자연계에 존재한다. 즉, 전기적으로 중성인 Sn으로부터 이온화를 통해 Sn²⁺, Sn⁴⁺ 이온이 생성될 수 있고, O^2-와 이온 결합을 통해 두 종류의 산화 주석이 생성되는 것이다. Sn처럼 두 종류 이상의 전하를 띤 이온을 형성할 수 있는 것이 가변 원자가이다. 또 다른 예로 전이 금속 원소인 망가니즈를 살펴보자. 망가니즈의 산화물로는 MnO, Mn₂O₃, MnO₃, Mn₂O₇ 등이 자연계에 존재하고, 각 이온 화합물에서 산소 원자는 O^2-로 한 종류의 이온을 형성하기 때문에 망가니즈는 차례대로 Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁶⁺, Mn⁷⁺ 이온이 되어서 해당 산화물을 형성한다. 따라서 Mn 또한 가변 원자가 원소이다.