어린이과학동아&수학동아 기사

원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다.

이 세상의 모든 물질은 각각 다른 성질을 가지고 있는 원자들이 다양한 종류의 결합을 하여 탄생하게 된다.

나는 원자들에 대해 좀 더 자세히 들여다 보기로 했다.

현대의 원자 모형은 오비탈이다. 오비탈은 원자핵 주위의 공간에 전자가 존재할 확률을 나타낸 함수이다.(전자 존재 확률 함수)

오비탈은 주양자수는 같지만 에너지 상태가 조금씩 다른 오비탈들이 있는데 이를 부양자수라고 부르며 모양에 따라 s,p,d,f 오비탈이라고 명명한다. 먼저 s오비탈이다. s오비탈은 구형으로 방향성이 없고 전자가 존재할 확률은 핵으로부터의 거리에만 의존한다.

다음은 p오비탈이다. p오비탈은 아령모양의 x,y,z의 3개 방향성을 가지고 있다. 또한 K껍질에는 존재하지 않고 L껍질부터 존재한다. d오비탈과 f오비탈은 거의 쓰이지 않기 때문에 s오비탈과 p오비탈에 대해서만 다루겠다.

전자껍질과 오비탈에 따른 최대 수용 전자수이다. s 오비탈은 최대 허용 전자수가 2개, p오비탈은 6개이다.

오비탈의 전자 배치는 쌓음의 원리에 의해 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d . . . 순으로 배치가 된다.

Na을 전자 배치를 해 보겠다. 나트륨은 전자가 11개이므로 1s^2 2s^2 2p^6 3s^1 로 배치할 수 있다. 

오비탈의 구성을 보면 왜 알칼리 금속은 반응이 활발한지, 18족 원소들은 반응을 하지 않는지에 대해서도 알 수 있다.

알칼리 금속(1족)은 물과 만나게 되면 수소 기체를 내뿜으며 폭팔한다. 앞에서도 말했드시 p오비탈의 최대 전자 허용 개수는 6개이다.

모든 원소는 훈트의 규칙을 만족하려 하는데 나트륨은 유효 핵 전하량 때문에 전자를 5개 얻는것보다 전자를 1개 버리는게 더 에너지를 적게 소모할 수 있기 때문에 나트륨은 부족한 전자를 버리고 음이온과 이온 결합을 하게 된다. 반대로 18족 비활성 기체는 자연적으로는 절대 결합을 하지 않는다. 18족 Ne의 전자배치를 보면 1s^2 2s^2 3s^6 로 훈트의 규칙을 만족하기 때문에 다른 원자와 결합을 할 필요가 없기 때문이다.

이렇게 오비탈에 대해 이해함으로써 왜 비활성 기체는 다른 원소와 반응을 하지 않는지, 나트륨은 그리도 활발하게 반응을 하는지에 대해 알 수 있게 되었다.