주기율과 주기율표

주기율의 역사

개요

19세기 초에 분석화학(서로 다른 화학물질을 구별하는 기술)의 급속한 발달과 함께 여러 원소와 화합물의 물리적·화학적 성질에 관한 커다란 지식체계가 형성되었다.

화학적 지식에 관한 분류가 급속하게 증가됨에 따라 분류할 필요가 생겼는데 이는 화학에 관한 체계적 저술뿐만 아니라, 한 세대의 화학자에게서 다음 세대의 화학자에게 화학을 살아 있는 과학으로 전수하는 수단인 실험기술이 화학적 지식을 체계적으로 분류하는 데 기초를 두고 있기 때문이었다. 원소들보다는 화합물 사이의 관련성이 더 쉽게 밝혀졌으며, 이 때문에 원소의 분류는 화합물의 분류보다 몇 년이나 뒤쳐졌다.

사실상 화합물의 분류체계가 널리 쓰이기 시작한 이후 거의 반세기 동안이나 원소의 분류에 관한 화학자들의 일반적인 합의가 없었다.

1817년에 J. W. 되버라이너는 스트론튬의 원자량이 칼슘과 바륨의 중간 정도라는 사실을 밝혀냈으며, 몇년 후 할로겐인 염소·브로민·요오드와 알칼리 금속인 리튬·소듐·포타슘에도 이러한 경향이 있음을 알아냈다(3가원소). 1827~58년 J.-B.-A.뒤마, L. 그멜린, E. 렌센, 페텐코퍼, J. P. 루크 등은 이와 유사한 관계가 3가지 이상의 원소에도 성립한다는 사실을 밝혀내어 되버라이너의 제안을 확장시켰다.

그들은 플루오린을 할로겐에 포함시켰고 알칼리 토금속에 마그네슘을 추가했으며 산소·황·셀레늄·텔루륨을 하나의 족으로, 질소·인·비소·안티몬·비스무트를 또다른 하나의 족으로 분류했다. 후에 원소의 원자량을 산술함수로 나타낼 수 있다는 사실을 밝히기 위한 시도들이 있었다. 1862년에 A.-E.-B. 드 샹쿠르투아스는 1858년에 발표된 스타니슬라오 카니차로 체계에 따른 새로운 원자량 값을 토대로 원소를 분류하고자 했으며, 대략적인 산소의 원자량인 16단위의 원주를 갖는 원통 표면에 원자량을 표시했다.

여기서 생기는 나선에 의해 관련된 원소들은 원통 위에서 또다른 점의 위아래로 대응되는 점에 의해 가까이 놓이게 되었으며 이를 바탕으로 그는 "원소의 성질은 숫자의 성질이다"라고 제안했는데 이는 현대의 지식에 비추어 보아도 탁월한 예측이다.

원소의 분류

몇 년 후인 1864년에 J. A. R. 뉴런즈는 원자량이 증가하는 순서대로 원소를 분류하는 체계를 제안했다.

그는 각 원소에 차례대로 서수를 붙이고 그당시 알려져 있던 처음의 7가지 원소(수소·리튬·베릴륨·붕소·탄소·질소·산소)와 성질이 비슷한 것을 기준으로 각 원소를 7개의 족으로 나누었다. 이런 관계는 음계의 7단계와 유사하기 때문에 옥타브 법칙이라고 했다. 이후 원소의 성질과 원자량 사이의 상관관계에 대한 광범위한 연구결과를 토대로 원자가(원소가 형성할 수 있는 단일결합의 수)에 대해 각별한 주의를 기울여 1869년 드미트리 멘델레예프가 "원자량 순으로 나열된 원소들은 그 성질이 주기적으로 변한다"는 주기율을 제안했다.

마이어도 독자적으로 유사한 결론에 도달했지만 그의 논문은 멘델레예프의 논문 이후에 발표되었다.

최초의 주기율표

1869년에 발표된 멘델레예프의 주기율표는 17열로 이루어져 있었다.

포타슘부터 브로민, 루비듐에서 요오드까지의 두 주기는 거의 채워져 있었으며(그림2는 비활성 기체로 주기를 나눈 주기율표이며, 그림3은 장주기형 주기율표임), 그 앞에는 각각 7개의 원소(리튬에서 플루오린, 소듐에서 염소)에 의해 부분적으로 채워진 두 주기가 있고 그 뒤에는 미완성인 세 주기가 있었다. 1871년에 멘델레예프는 17족 주기율표의 개정판을 발표했는데 주된 변화는 17개 원소의 위치를 바로잡은 것이었다.

또한 로타르 마이어와 멘델레예프는 8열로 이루어진 주기율표도 제안했는데 이는 각 장주기를 7개의 원소로 된 주기로 분리시키고, 8번째 족에는 중간의 세 원소(예를 들어 철·코발트·니켈로 멘델레예프는 구리를 Ⅰ족에 놓지 않고 여기에 포함시켰음)를 놓고 다시 7개의 원소로 된 2번째 주기를 나열한 것이었다. 7개의 원소로 이루어진 이 두 주기는 나중에 족의 기호인 로마 숫자 뒤에 'a'와 'b'를 붙여 구별했다. 1894, 1895년에 레일리와 윌리엄 램지가 비활성 기체인 헬륨·네온·아르곤·크립톤·크세논·라돈을 발견하면서 멘델레예프와 여러 사람들은 이들을 주기율표에 추가시키기 위해 새로운 0족을 제안했다.

0, Ⅰ, Ⅱ,……,Ⅷ족으로 된 단주기형 주기율표(그림1)가 일반화되었으며 1930년경까지 널리 쓰였다. T. 베일리의 초기 모형(1882)을 바탕으로 1895년에 J. 톰슨은 새로운 주기율표를 고안했다. 이것은 1922년에 닐스 보어에 의해 원자의 전자구조를 사용해서 설명되었다. 이 주기율표(그림2)는 비활성 기체를 기준으로 주기가 점차 길어지는 형태를 띠고 있다. 즉 이 표는 2개의 원소로 된 주기를 시작으로 8개의 원소로 된 두 주기가 있고 그 뒤에는 18개의 원소로 된 두 주기, 32개의 원소로 된 주기가 하나 있으며 마지막으로 미완성의 주기가 있다.

각 주기의 원소는 다음 주기에 있는 하나 또는 그 이상의 원소와 연결선으로 이어져 있다. 이 주기율표의 최대 단점은 32개의 원소로 된 주기를 나타내야 하기 때문에 공간이 많이 필요하다는 것과 특성이 유사한 원소들을 찾아보기 어렵다는 것이다. 이런 단점들을 잘 절충한 것은 그림3에서처럼 14개의 란탄족 원소와 14개의 악티늄족 원소를 생략하여 32개의 원소로 된 주기를 18열로 줄이고 이들은 주기율표 아래쪽에 따로 2행을 만들어 나열한 것이다(희토류금속).

다른 형태의 주기율표

다른 형태의 주기율표가 때때로 제안되었다.

이들 중 초기의 것으로 1905년 A. 베르너가 고안한 것은 단주기를 두 부분으로 나누어 이들이 장주기에서 그들과 특성이 가장 유사한 원소들 위에 오도록 양끝 쪽으로 배열했다는 점이 주목할 만하다. 이 때문에 베일리의 주기율표에서 볼 수 있는 주기를 잇는 다중연결선은 생략되었다. 또한 이 형태의 주기율표에서는 란탄족 원소와 악티늄족 원소를 별도의 표로 옮겨서 크게 단순화했다. 20세기 중반 이후에는 이런 형태의 주기율표(그림4)가 가장 널리 쓰이게 되었다.

새로운 원소의 발견

1871년에 멘델레예프가 17개의 원소를 그들의 원자량으로부터 알 수 있는 위치에서 새로운 위치로 이동함으로써 이들의 특성이 다른 원소들의 특성과 상관관계를 가질 수 있다는 사실을 밝히는 데 성공하면서 주기율의 가치가 더욱 커졌다.

이러한 변화에 의해 그 이전에 받아들여지던 원자량 중에서 몇몇은 작은 오차가 생겼고 또다른 몇몇은 오차가 크다는 것을 알게 되었다. 그 이유는 원자량으로 사용한 결합량(일정한 무게의 표준물질과 결합하는 원소의 무게)의 배수가 잘못되었기 때문이었다. 또한 멘델레예프는 그때까지 발견되지 않았던 원소인 에카붕소·에카알루미늄·에카규소 등의 존재와 그들의 여러 가지 성질을 예측했다.

이들은 각각 스칸듐·갈륨·게르마늄으로 확인되었다. 이와 유사하게 헬륨과 아르곤을 발견한 후에 주기율에 의해 네온·크립톤·크세논·라돈의 존재도 예측할 수 있었다. 또한 보어는 주기율표에 빠져 있는 원소인 원소 72가 주기율표상에서의 위치로 볼 때 희토류 원소보다는 지르코늄과 그 성질이 유사할 것이라고 지적했는데 이로부터 1922년 G. 드 헤베시와 D. 코스터가 지르코늄 광석을 조사하여 미지의 원소를 발견하고 이를 하프늄이라 이름붙였다.

원자량을 다시 결정하여 주기율표를 수정했지만 1871년에 멘델레예프와 로타르 마이어의 주기율표에서 몇몇 원소들은 그 특성으로 볼 때 원자량의 순서와는 다른 위치에 놓여야 할 필요성이 생겼다. 따라서 아르곤과 포타슘, 코발트와 니켈, 텔루륨과 요오드 쌍에서 앞쪽의 원소의 원자량은 더 크지만 주기율표상에서 뒤쪽의 원소보다 앞에 놓이게 되었다. 이러한 어려움에 대한 궁극적인 해답은 원자의 구조가 더 잘 이해되고 난 다음에야 얻을 수 있었다.

1910년경에 무거운 원자의 핵에 의한 알파(α) 입자의 산란에 관한 러더퍼드의 실험으로 원자핵의 전하를 알 수 있게 되었다.

전자의 전하에 대한 원자핵 전하의 비는 원자량의 반 정도임이 밝혀졌다. 1911년에 A. 반 덴 브룩은 이 양이 주기율표에서의 원소의 원자번호와 같다고 주장했으며, 이후 뉴런즈로부터 주기율표상에서의 위치에 따라 원소에 번호를 붙이는 것이 관례로 되었다. 1913년에 H. G. J. 모즐리가 여러 원소들의 특징적인 X선 스펙트럼선의 파장을 측정하여 그 파장이 주기율표상에서의 원소의 일련번호와 같은 원자번호에 규칙적으로 의존함을 보임으로써 이 주장은 훌륭히 입증되었다.

이제는 주기율표에서 원소의 위치에 관한 어떠한 불확실성도 더이상 존재하지 않게 되었다. 원자번호 1~107의 모든 원소가 현재 알려져 있으며 108번 이상의 새로운 원소들도 핵반응을 통해 합성될 것이다. 원소의 정확한 원자량이 그 원소의 주기율표상의 위치에 그리 중요하지 않은 것은 각 원소의 동위원소(원자번호는 같으나 원자량이 다른 원자들)가 존재하기 때문이다.

한 원소의 동위원소들의 화학적 성질은 본질적으로 같기 때문에 원자량이 다르긴 하지만 주기율표에서 같은 위치를 차지한다.

주기율의 설명

주기계에 대한 세부적인 이해는 1913년에 보어의 연구로부터 시작된 스펙트럼 및 원자의 전자구조에 대한 양자이론과 함께 발달되었다.

중요한 발전 단계를 보면 1916년 W. 윌슨과 A. 좀머펠드에 의한 고전적인 양자이론의 일반적 법칙의 공식화, 1925년 W. 파울리에 의한 배타 원리의 발견, G.E. 울렌벡과 S. 호우트스미트에 의한 전자 스핀의 발견, 같은 해 W. 하이젠베르크와 E. 슈뢰딩거에 의한 양자역학의 전개 등이다. 1916년에 G. N. 루이스의 공유 전자쌍에 관한 가정으로부터 시작된 원자가 전자이론과 분자구조 이론의 발달도 주기율을 설명하는 데 매우 중요한 역할을 했다.

긴 형태의 주기율표

정의

주기율을 긴 주기로 나타낸 표. 왼쪽, 그리고 아래쪽으로 갈수록 금속성이 증가하고 전기적으로 양성이 되며, 오른쪽, 그리고 위쪽으로 갈수록 비금속성이 증가하고 전기적으로 음성이 된다.

주기

2가지 형태로 나와 있는 장주기 형태의 주기율표는 이때까지 발견되거나 만들어진 모든 원소를 포함하고 있다. 이들은 수평으로 나열된 7개의 주기에 원자번호 순으로 나열되어 있으며 란타넘족 원소와 악티늄족 원소는 아래쪽에 따로 배열되어 있다.

각 주기는 길이가 서로 다르다. 제일 처음에 원자번호가 1인 수소와 2인 헬륨으로 이루어진 수소주기가 있다. 그 밑에는 각기 8개의 원소로 된 주기가 2개 있는데 이들은 리튬(원자번호 3)에서 네온(원자번호 10)까지의 첫번째 단주기와 소듐(원자번호 11)에서 아르곤(원자번호 18)까지의 2번째 단주기이다.

그 밑에는 각기 18개의 원소로 된 2개의 주기가 있다. 이들은 포타슘(원자번호 19)에서 크립톤(원자번호 36)까지의 첫번째 장주기 및 루비듐(원자번호 37)에서부터 제논(원자번호 54)까지의 2번째 장주기이다. 세슘(원자번호 55)에서부터 라돈(원자번호 86)까지의 32개의 원소로 된 매우 긴 장주기는 란탄족 원소를 아래쪽에 따로 나타내어 18열로 압축시켰다.

첫번째 및 2번째 장주기에서 대응되는 원소들과 그 성질이 매우 유사한 이들 18개의 원소들은 대응되는 원소들의 바로 아래쪽에 놓인다. 마지막 주기는 미완성이다. 이 주기의 원소들의 특성을 볼 때 이 마지막 주기는 32개의 원소로 된 2번째로 긴 장주기로 118번 원소에서 끝나게 됨을 알 수 있다.

족

헬륨·네온·아르곤·크립톤·제논·라돈 등 6개의 비활성 기체는 완성된 6주기의 제일 끝쪽에 있으며 0족을 이룬다(주기율표에서 원소의 수평적 배열을 주기, 수직적 배열을 족이라 하는 것이 관례임). 리튬에서 플루오린까지의 7개의 원소와 이에 대응하는 소듐에서 염소까지의 7개의 원소는 그림3에서 볼 수 있듯이 각기 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ의 7족에 놓여 있다.

포타슘(원자번호 19)에서 브로민(원자번호 35)까지 4주기의 17개 원소는 그 성질이 각기 달라 17개의 아족을 이루는 것으로 보는 것이 타당하다. 하지만 주로 역사적인 이유로(그림1에서 볼 수 있는 단주기 형태의 주기율표 사용 때문에) 철·코발트·니켈의 세 원소 및 아래쪽 주기들에서 이들에 해당되는 원소들을 하나의 족인 Ⅷ족에 놓고 이 17개의 원소를 15개의 아족으로 나누는 것이 관례이다.

포타슘(원자번호 19)에서 망가니즈(원자번호 25)까지의 원소들은 각기 Ⅰa, Ⅱa, Ⅲa, Ⅳa, Ⅴa, Ⅵa, Ⅶa의 아족으로, 구리(원자번호 29)부터 브로민(원자번호 35)까지는 Ⅰb,Ⅱb, Ⅲb, Ⅳb, Ⅴb, Ⅵb, Ⅶb의 아족으로 배정된다(현대의 몇몇 주기율표에서는 Ⅲ족 및 그 이상의 족에서 a, b 아족의 원소들이 여기서 보는 것과는 반대로 나열되어 있으며, 주기율표의 표준 형태는 없음).

이에 의해 첫번째 족인 알칼리 금속에는 리튬과 소듐 외에 포타슘에서부터 주기율표 아래에 있는 프랑슘까지의 금속이 포함되며, 유사성이 훨씬 적은 구리를 비롯한 Ⅰb 아족의 금속들은 포함되지 않는다. 또한 2번째 족인 알칼리 토금속에는 베릴륨·마그네슘·칼슘·스트론튬·바륨·라듐이 포함되며 Ⅱb 아족의 원소는 역시 포함되지 않는다.

원소의 성질을 고려해볼 때 붕소족이 Ⅲa 아족과 Ⅲb 아족 중 어느 것을 포함하는 것이 더 나은지 알 수는 없지만 보통 Ⅲa 아족을 포함한다. 나머지 4개의 족은 탄소·규소·게르마늄·주석·납으로 구성된 탄소족(Ⅳ족), 질소·인·비소·안티모니·비스무트로 이루어진 질소족(Ⅴ족), 산소·황·셀레늄·텔루륨·폴로늄으로 되어 있는 산소족(Ⅵ족), 플루오린·염소·브로민·아이오딘·아스타틴을 포함하는 할로젠족(Ⅶ족)이다.

몇몇 주기율표에서 수소가 Ⅰ족에 포함되어 있긴 하지만 수소는 화학적 성질로 볼 때 알칼리 금속과도, 할로젠과도 유사하지 않다. 하지만 플루오린화수소(HF) 같은 화합물에서는 수소의 산화수가 ＋1이 되고 수소화리튬(LiH) 같은 화합물에서는 －1이 된다. 따라서 플루오린화리튬(LiF)에서 수소가 Li의 위치를 대신할 때는 Ⅰa족의 원소와 유사하게 취급되고 F의 위치를 대신할 때는 Ⅶ족 원소와 유사하게 취급된다. 실제 수소가 모든 원소들 중에서 개성이 가장 강하며 소듐이 리튬을 닮고, 염소가 플루오린을 닮고, 네온이 헬륨을 닮은 것처럼 수소를 닮은 원소는 없다. 수소는 독특한 원소이며 어떤 족에도 쉽게 포함시킬 수 없는 유일한 원소이다.

전이금속

각 장주기 내의 많은 원소들이 전이금속에 속한다. 이들은 보통 스칸듐(원자번호 21)에서부터 아연(원자번호 30)까지의 철족 전이금속, 이트륨(원자번호 39)에서부터 카드뮴(원자번호 48)까지의 팔라듐족 전이금속, 하프늄(원자번호 72)에서부터 수은(원자번호 80)까지의 백금족 전이금속으로 나누어진다.

이 정의에 따르면 전이금속은 장주기율표(그림3)에서 Ⅲa족에서 Ⅶa족까지와 Ⅷ족, Ⅰb족, Ⅱb족을 포함한다. 원자번호 순으로 배열된 원소들의 주기적 특성은 단체의 물리적 상태와 녹는점·밀도·경도와 같은 서로 상관되는 성질들을 살펴보면 확실히 알 수 있다. 0족 원소들은 응축이 잘 되지 않는 기체이다. Ⅰ족의 알칼리 금속들은 연한 금속성 고체로 녹는점이 낮다. Ⅱ족의 알칼리 토금속들은 인접한 알칼리 금속들보다 더 단단하고 녹는점이 더 높다.

경도와 녹는점은 Ⅲ족과 Ⅳ족으로 갈수록 계속 높아지며 Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ족으로 갈수록 낮아진다. 장주기의 원소들은 알칼리 금속에서부터 주기의 가운데까지 경도와 녹는점이 점차 높아지고 Ⅵb족부터 할로겐과 비활성 기체에 이를 때까지 불규칙적으로 낮아진다. 원소의 원자가(표준 원소가 이루는 결합의 수)는 주기율표에서의 원소의 위치와 밀접한 관련이 있다. 즉 주족 원소의 최대의 양의 원자가(산화수)는 족의 번호와 같으며 최대의 음의 원자가는 8과 족 번호의 차이가 된다.

화학적 성질

금속·준금속·비금속 등으로 설명되는 일반적인 화학적 성질은 매우 단순한 형태로 주기율표와 관련이 있다. 즉 주기율표에서 왼쪽과 아래쪽으로 갈수록 금속성이 강해지며 비활성 기체를 제외하면 오른쪽과 위쪽으로 갈수록 비금속성이 강해진다. 준금속들은 붕소와 폴로늄을 잇는 대각선 부근에 분포되어 있다.

밀접하게 연관되어 있는 성질은 원자가 그들의 전자를 유지하고 다른 원소의 전자를 끌어당기는 경향을 나타내는 전기음성도이다. 원소의 전기음성도는 이온화퍼텐셜, 전자친화도, 산화-환원 전위, 화학결합 형성 에너지를 비롯한 여러 성질로부터 알 수 있다. 전기음성도는 주기율표상에서 비금속성과 같은 식으로 원소의 위치에 따라 다르다고 알려져 있으며 따라서 플루오린이 전기음성도가 가장 큰 원소이고 세슘(또는 프랑슘)이 전기음성도가 가장 작은(즉 전기양성도가 가장 큰) 원소이다.

원소의 원자 크기는 주기율표를 따라 규칙적으로 변한다. 결정 형태나 분자 형태로 된 단체에서의 유효 결합 반지름(인접한 원자 사이의 거리의 반)은 첫번째 단주기에서는 리튬의 1.52Å(옹스트롬)부터 플루오린의 0.73Å까지 차츰 감소하고 2번째 주기가 시작되는 소듐에서는 1.86Å으로 갑자기 증가한 후 0.99Å의 염소까지 점차 감소한다.

장주기에서는 이 경향이 더욱 복잡한데 결합 반지름이 포타슘(2.31Å)에서부터 차츰 감소하여 코발트와 니켈에 이르러 1.25Å으로 극소값을 나타낸 후 약간 커지다가 결국 브로민에서는 1.14Å으로 떨어진다. 원자의 크기는 배위수(화합물에서 중심 원자에 붙어 있는 원자단의 수)를 결정하는 데 중요한 역할을 하며 따라서 화합물의 조성에도 중요하다.

주기율표의 오른쪽 위에서 왼쪽 아래로 가면서 원자의 크기가 증가하는 사실은 가장 높은 산화수를 가진 그 원소의 산소산의 화학식으로부터 잘 알 수 있다. 제일 크기가 작은 원자들은 3개의 산소원자로 배위되어 있고 그 다음으로 큰 원자들은 4개의 산소원자에 의해 사면체로 배위되어 있으며 이들은 주기율표상에서 대각선 띠를 이루고 있다.

이 띠의 왼쪽 아래에는 더 큰 원자들이 있으며 이들은 팔면체의 산소화합물(주석산·안티모니산·텔루르산·파라과아이오딘산)을 이룬다. 원소의 화학적·물리적 성질만이 핵외 전자구조에 의해 결정되며 이들 성질은 주기율에 의해 서술된 주기성을 나타낸다. 질량편차율, 원자핵 반응에 참여하는 능력 등 원자핵 자체의 특성은 원자번호에 달려 있으나 같은 주기성을 갖지는 않는다(→ 분자).

주기성의 기초

전자구조

헬륨·네온·아르곤·크립톤·크세논·라돈 등의 비활성 기체는 화합물을 거의 형성하지 않는 특이한 화학적 성질을 가진다. 이 성질은 이들이 특히 안정된 전자구조를 갖기 때문이다. 즉 밀착된 구조로 되어 있어 일반적인 화학결합을 할 여지가 없다. 현대의 원자물리 및 양자역학이론의 발전으로부터 비활성 기체와 다른 원자들의 전자구조를 정확하고 자세하게 알 수 있도록 되었으며 이로부터 주기율을 완전히 설명할 수 있게 되었다. 파울리의 배타원리에 의하면 한 원자 내에서 둘 이상의 전자가 같은 궤도함수(오비탈)를 차지할 수 없으며 만약 두 전자가 같은 궤도함수에 들어갈 경우에는 서로 스핀이 반대가 되도록 쌍을 이루어야 한다. 원자의 궤도함수는 1, 2, 3, …… 등의 값을 갖는 주양자수 n 및 0, 1, 2, ……, n－1의 값을 갖는 방위양자수 l로 나타낼 수 있다. 주어진 n과l에 대해 (2l＋1)개의 서로 다른 궤도함수가 존재한다. 가장 안정한 궤도함수는 n과 l의 값이 가장 작은 궤도함수로 이 궤도함수는 전자들을 원자핵에 가장 가까이 놓이게 한다. n=1(이 경우 l=0)인 궤도함수를 차지하는 전자는 K 껍질에 있다고 말하며 L, M, N, …… 껍질은 각각 n〓2, 3, 4, ……에 해당한다. K 껍질을 제외한 각 껍질은 궤도양자수 l이 0, 1, 2, 3, ……에 해당되는 부껍질로 나누어지는데 이들은 각각 s, p, d, f, …… 부껍질이라고 하며 이들은 최대로 각각 2, 6, 10, 14, …… 개의 전자를 수용할 수 있다.

한 원자 내에서 각 부껍질의 대략적인 안정도의 순서를 표2로 나타냈다. 원자번호가 증가함에 따라 원자의 전자수는 증가하며 더해지는 전자는 당연히 껍질의 안정한 순서대로 채워진다. 가장 안정한 껍질인 K 껍질은 2개의 전자를 가진 헬륨에서 다 채워지며 L 껍질은 네온(원자번호 10)에서 완전히 채워진다. 하지만 이보다 무거운 비활성 기체들의 원자는 최외각 껍질이 다 채워지지 않고 s, p 부껍질만 채워진다. 8개의 전자로 된 최외각 껍질을 전통적으로 옥테트라고 한다. 덜 안정한 궤도함수들이 채워지고 난 후 d, f 부껍질이 차례로 전자로 채워지게 되며 원자번호가 증가하면서 안정도가 역전되기도 한다. 비활성 기체 원자의 각 껍질에 채워지는 전자의 수는 표2와 같다. 2, 8, 18, 32의 숫자는 각각 s 부껍질, s, p 부껍질, s, p, d 부껍질, s, p, d, f 부껍질을 채우는 것에 해당된다.

주기율표의 첫번째 주기는 K 껍질이 2개의 전자로 채워지는 헬륨에서 완성된다. 첫번째 단주기에서는 2s와 2p 부껍질이 채워져서 네온에 이르러 L 껍질이 다 채워지게 되며 2번째 단주기에서는 아르곤까지 해서 3s와 3p 부껍질이 채워지고 M 껍질은 미완성인 채로 남겨지게 된다. 첫번째 장주기는 4s 궤도함수에 전자를 채우면서 시작되며 이후 스칸듐부터는 내부 M 껍질의 5개의 3d 궤도함수가 채워지기 시작한다. 철족 전이 계열의 10개의 원소들을 특정짓는 것은 10개의 전자들이 이들 5개의 3d 궤도함수를 채우는 것에 의해서이다. 크립톤에 가서는 M 껍질이 다 채워지고 N 껍질이 옥테트가 된다. 18개의 원소로 이루어진 2번째 장주기에서는 그 바깥쪽이 옥테트를 이루며 10개의 4d 전자에 의해 다음 내부 부껍질이 채워진다. 32개의 원소로 되어 있는 장주기는 14개의 전자에 의해 4f 부껍질이 채워지고 10개의 전자에 의해 5d 부껍질이 채워지며 6s, 6p 궤도함수들이 옥테트를 이루어 생겨난다. 4f 궤도함수가 채워지는 원소들이 14개의 란탄족 원소를 이루며 5d 궤도함수가 채워지는 원소들은 10개의 백금족 전이금속을 구성한다. 미완성인 그 다음 주기는 14개의 전자를 지니는 5f 부껍질, 10개의 전자로 채워지는 6d 부껍질 및 7s, 7p 궤도함수로 이루어진다. 5f 궤도함수가 채워지는 원소들은 토륨(원자번호 90)에서 시작되는 악티늄족 원소를 이룬다. 따라서 주기계에서 각 주기는 다음의 궤도함수들에 전자를 채워넣는 것에 해당한다.

K, L, M, …… 껍질 대신 주기계와 밀접한 관련을 갖도록 각 부껍질들을 에너지가 거의 같은 것들까지 새로 구분하면 더 장점이 있을 수 있다. 이 새로운 구분은 다음과 같다.

원소의 성질에서의 주기성

원소성질의 주기성은 전자구조상의 주기성에서 기인한다. 비활성 기체는 전자구조가 안정하기 때문에 화학적으로 반응성이 전혀 또는 거의 없다. 즉 이들의 원자는 그들의 몫에 해당되는 전자들을 강하게 끌어당기고 있어서 더이상 전자를 끌어당기려는 경향이 없으며 다른 원자와 전자를 잘 공유하지도 않는다. 반면 주기율표상에서 비활성 기체와 인접해 있는 원소들은 하나 이상의 전자를 다른 원자에 주거나 다른 원자로부터 하나 이상의 전자를 얻거나 또는 전자를 공유하여 비활성 기체처럼 안정한 전자배열을 할 수 있기 때문에 화학반응성이 있다.

Ⅰ족의 알칼리 금속은 원자핵에 약하게 결합되어 있는 최외각(원자가)의 전자 하나를 이들 원소보다 전자친화도가 큰 다른 원소에 주어 안정한 1가 양이온을 형성하면서 비활성 기체의 전자배열을 가진다. 이와 유사하게 알칼리 토금속은 원자핵에 약하게 결합되어 있는 원자가 껍질의 전자 2개를 잃고서 비활성 기체의 전자배열을 가진 2가의 양이온을 형성한다. 따라서 첫번째 족에 속하는 원소들의 양이온의 원자가는 족의 번호와 일치한다. 비활성 기체의 바로 앞쪽에 있는 원소들은 전자를 얻어서 비활성 기체와 같은 전자배열을 가진 음이온을 형성할 수 있으며 이들 음이온의 원자가는 8에서 족의 번호를 뺀 수와 같다.

원자의 공유원자가(공유된 원자쌍의 수)는 그 원자의 전자수 및 그 원자가 가질 수 있는 안정한 궤도함수의 수에 의해 결정된다. 외부 껍질에 7개의 전자를 가지고 있는 플루오르 같은 원자는 유사한 원자 하나와 1쌍의 전자를 공유하여 결합할 수 있으며, 이때 각 원자는 원자가껍질에 3개의 비공유 전자쌍과 하나의 공유 전자쌍을 가지게 되어 비활성 기체의 전자배열을 하게 된다. 주기율상에서 같은 족에 속하는 원소들의 성질이 유사하나 완전히 같지는 않다. 가벼운 원소에서 무거운 원소쪽으로 옮겨갈 때 생기는 성질의 변화 경향은 최외각 전자의 결합력의 세기 및 특히 원자의 크기의 증가에서 비롯된다.

L. C. Pauling

기타 물리적·화학적 분류

화학적 성질을 기준으로 원소를 분류하는 특정 방법들은 원소들이 속하는 족과 밀접한 관계가 없다.

이러한 분류방법을 통해 주기율표에서 수직적인 관계뿐만 아니라 유용한 수평적 관계도 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 화학적 성질을 설명할 때, 전이원소들은 전체로서나 또는 3개의 수평열로 함께 취급한다. 각 주기의 전이원소들은 같은 주기에서의 다른 원소들에서보다 원자의 크기의 변화가 작고 화학적·물리적 성질이 유사하다. 란탄족 원소와 악티늄족 원소들은 같은 이유로 유사성이 훨씬 더욱 크다.

Ⅰa와 Ⅱa족의 금속원소들은 다른 금속원소들에 비해 반응성이 현저히 크기 때문에 종종 함께 취급된다. 한편 루테늄·로듐·팔라듐·오스뮴·이리듐·백금 등의 백금족 원소들은 은이나 금처럼 화학적으로 비활성이다. 이들은 다른 원소와 쉽게 결합하지 않기 때문에 귀금속이라고 한다.

107개의 알려진 모든 원소 중에서 상온·상압에서 11개가 기체이고 2개가 액체이며 나머지는 고체이다. 수소와 수은을 제외하면 기체와 액체 원소는 주기율표의 오른쪽에 비금속 원소와 관련된 부분에 나타난다.

원소의 물리적 성질로부터 원소를 쉽게 확인할 수 있다. 원소들의 녹는점은 －272℃(헬륨)~3,500℃ 이상(다이아몬드 형태로 되어 있는 탄소)까지 다양하다. 끓는점·전기전도도·열전도도 등의 성질은 원소마다 독특하므로 원소를 확인하는 데 이용된다. 아마도 원소를 확인하는 데 가장 유용한 것은 스펙트럼일 것이다.

원소는 유리상태나 혼합물, 또는 다른 원소와 결합하여 있을 때 독특한 스펙트럼을 나타낸다. 스펙트럼의 세기는 시료 속에 들어 있는 원소의 양과 관련되어 있기 때문에 원소의 정량분석의 수단으로 스펙트럼을 이용할 수도 있다. 이외에도 시료 속에 들어 있는 원소의 비율을 추정하는 화학적 방법들이 많이 있지만 이들은 대상 원소의 화학에 관한 자세한 지식을 알아야만 가능하다(화학분석).

천연에 산출되는 원소 중 원자번호가 84보다 큰 것은 모두 방사성 원소이다(방사능). 이들은 3개의 방사성 계열(우라늄 계열, 토륨 계열, 악티늄 계열)을 이루며 각 계열의 원소들은 방사성 과정을 통해 다른 원소로 전환된다.

또한 천연에 산출되는 가벼운 원소들의 동위원소들도 대부분이 방사성 원소이다. 모든 방사성 원소의 원자핵은 불안정하여 에너지가 매우 큰 입자를 방출한다. 이런 과정을 통하여 원자핵의 양성자수가 변하여 원자가 다른 원소의 원자로 변환된다. 방사성 붕괴를 통해 어떤 양의 동위원소가 반으로 분해되는 데 걸리는 시간을 방사성 동위원소의 반감기라고 한다. 방사성 동위원소의 일반적 붕괴형태는 알파 입자나 베타 입자를 잃는 것 또는 전자포착 등이다.

원자핵이 베타 입자(전자)를 잃으면 원자번호가 하나 증가하고 알파 입자(2개의 양성자와 2개의 중성자로 이루어진 헬륨의 원자핵)를 잃으면 원자번호가 2만큼 감소한다. 내부 껍질에 있는 전자가 원자핵으로 들어가는 전자포착과정에 의해서는 원자번호가 하나 줄어든다. 11개의 합성(인공) 방사성 원소는 아직 천연에서 발견되지 않았으며 2개의 비(非)초우라늄 원소의 존재는 아직 완전히 입증되지 못했다. 나머지 원소들은 일반적으로 방사성 원소로 취급되지는 않지만 일부 방사성 동위원소는 천연에 미량으로 존재하며 이런 원소들의 방사성 동위원소들이 지금까지 실험실에서 1,000개 이상 만들어졌다(베타 붕괴, 알파 붕괴).