구역 (주기율표)

구역으로의 구분은 그들의 독특한 특성에 정당화된다. s-구역은 수소와 헬륨을 제외하고는 매우 전기양성인 금속이 특징이다. p-구역은 매우 독특한 금속과 비금속의 범위를 포함하며, 그 중 다수는 생명에 필수적이다. d-구역은 다중 산화 상태를 가진 금속이 특징이다. f-구역은 너무나 유사하여 분리가 어려운 금속이 특징이다. 원소에 대한 유용한 설명은 그 원소가 속한 구역과 그 안에서의 위치를 기반으로 예를 들어, 최고 산화 상태, 밀도, 녹는점 등을 묶을 수 있다. 전기 음성도는 구역 내외에 걸쳐 상당히 체계적으로 분포되어 있다.

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P. J. 스튜어트
In Foundations of Chemistry, 2017^[3]

전자 배열에 기반한 이러한 구역 명칭과 화학적 특성에 기반한 원소 집합 간에는 대략적인 일치성이 존재한다. s-구역과 p-구역은 일반적으로 전형 원소로 간주되며 d-구역은 전이 금속에 해당하고 f-구역은 내부 전이 금속에 해당하며 거의 모든 란타넘족 원소(란타넘, 프라세오디뮴, 디스프로슘 등)와 악티늄족 원소(악티늄, 우라늄, 아인슈타이늄 등)를 포함한다.

12족 원소인 아연, 카드뮴, 수은은 다른 d-구역 원소들보다 p-구역 원소들과 화학적, 물리적으로 더 유사하기 때문에 때때로 전이 금속이 아닌 전형 원소로 간주된다. 3족 원소는 s-구역 원소와의 유사성 때문에 가끔 전형 원소로 간주된다. 그러나 전형 원소로 간주될 때에도 여전히 d-구역 원소로 남는다.

f-구역(2족과 3족 사이)의 족(세로줄)은 번호가 매겨지지 않는다.

헬륨은 1s 원자 궤도에 외부(이자 유일한) 전자를 가지고 있는 s-구역 원소이지만, 화학적 특성은 꽉 찬 껍질 때문에 18족의 p-구역 비활성 기체와 더 유사하다.

s-구역

나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘은 생물학적 체계에 필수적이다. 일부 다른 s-구역 원소는 의학 분야(예: 리튬 및 바륨)에 사용되거나 칼슘 생체 광물에서 미미하지만 유용한 오염 물질로 존재한다(예: 스트론튬). 이러한 금속은 단 하나의 안정적인 산화 상태[+1 또는 +2]를 나타낸다. 이는 [그들의] 이온이 산화되거나 환원될 위험 없이 세포 내에서 이동할 수 있게 한다.

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윌킨스, R. G. 와 윌킨스, P. C. (2003)
동물 행동에서 칼슘 및 유사 양이온의 역할, RSC, 캠브리지, p. 1

s-구역은 "sharp"의 s를 따고 방위 양자수 0을 가지며, 주기율표의 왼쪽에 위치하고 첫 두 열과 가장 오른쪽 열의 한 원소, 즉 비금속인 수소와 헬륨, 알칼리 금속(1족) 및 알칼리 토금속(2족)으로 구성된다. 이들의 일반적인 원자가 전자 배열은 ns^1–2이다. 헬륨은 s-원소이지만, 거의 항상 18족의 가장 오른쪽에 p-원소인 네온 위에 위치한다. 주기율표의 각 주기에는 두 개의 s-원소가 있다.

s-구역의 금속( 2주기 원소부터)은 대부분 부드러우며 일반적으로 녹는점과 끓는점이 낮다. 대부분 불꽃에 색을 부여한다.

화학적으로 헬륨을 제외한 모든 s-원소는 반응성이 높다. s-구역의 금속은 매우 전기양성적이며 비금속, 특히 전기 음성도가 높은 할로젠 비금속과 함께 주로 이온 결합 화합물을 형성한다.

p-구역

p-구역은 "principal"의 p를 따고 방위 양자수 1을 가지며, 표준 주기율표의 오른쪽에 있고 13족에서 18족까지의 원소를 포함한다. 이들의 일반적인 전자 배열은 ns² np^1–6이다. 18족의 첫 번째 원소인 헬륨은 p-구역에 포함되지 않는다. 주기율표의 각 줄에는 첫 번째 줄(없음)을 제외하고 6개의 p-원소가 들어갈 자리가 있다.

알루미늄 (금속), 원자 번호 13

규소 (준금속), 원자 번호 14

인 (비금속), 원자 번호 15

이 구역은 금속, 비금속, 준금속의 세 가지 유형의 원소를 모두 가지고 있는 유일한 구역이다. p-구역 원소는 족별로 다음과 같이 설명할 수 있다. 각각 13족 붕소족 원소, 14족 탄소족 원소, 15족 15족 원소, 16족 16족 원소, 17족 할로젠, 18족 헬륨족으로 헬륨족은 비활성 기체(헬륨 제외)와 오가네손으로 구성된다. 또는 p-구역은 전이후 금속, 준금속, 할로젠을 포함한 반응성 비금속, 비활성 기체(헬륨 제외)를 포함한다고 설명할 수 있다.

p-구역 원소는 원자가(최외곽) 전자가 p-궤도에 있다는 사실에 따라 통일된다. p-궤도는 중심점에서 균일하게 떨어진 각도로 뻗어 있는 6개의 엽 모양으로 구성된다. p-궤도는 최대 6개의 전자를 수용할 수 있으며, 따라서 p-구역에는 6개의 열이 있다. p-구역의 첫 번째 열인 13족 원소는 1개의 p-궤도 전자를 갖는다. p-구역의 두 번째 열인 14족 원소는 2개의 p-궤도 전자를 갖는다. 이러한 경향은 6개의 p-궤도 전자를 갖는 18족까지 계속된다.

이 구역은 첫 번째 줄에서 옥텟 규칙의 요새이지만, 후속 줄의 원소는 종종 초원자가를 나타낸다. p-구역 원소는 일반적으로 2의 배수만큼 차이나는 가변 산화 상태를 나타낸다. 족 내에서 원소의 반응성은 일반적으로 아래로 갈수록 감소한다. (헬륨은 네온보다 반응성이 높아 18족에서 이 경향을 깨지만, 헬륨은 사실 s-구역 원소이므로 p-구역 부분의 경향은 유지된다.)

금속과 비금속 사이의 결합은 전기 음성도 차이에 따라 달라진다. 전기 음성도 차이가 충분히 높으면 이온 결합이 가능하다(예: 질화 리튬, 염화 나트륨, 산화 납(II)). 상대적으로 높은 산화 상태에 있는 금속은 공유 결합 구조를 형성하는 경향이 있다(예: 육플루오르화 텅스텐, 사산화 오스뮴, 사염화 티타늄, 염화 알루미늄). 더 귀한 금속도 낮은 산화 상태에서 그러하다(예: 염화 금(I), 염화 수은(II)). 전기 전도성(금속성)을 나타내는 일부 금속 산화물도 있다(예: 이산화 루테늄, 삼산화 레늄, 이산화 이리듐).^[4] 준금속은 공유 결합 화합물을 형성하거나 금속과 합금을 형성하는 경향이 있지만, 가장 전기양성적인 금속과도 이온 결합이 가능하다(예: 규화 마그네슘).

d-구역

...원소는 일반적인 수직 관계뿐만 아니라 물리적 및 화학적 특성에서 수평적 유사성을 보인다. 이러한 수평적 유사성이 너무 현저하여 첫 번째... 계열...의 화학은 두 번째 및 세 번째 계열의 화학과 종종 별도로 논의된다. 두 번째 및 세 번째 계열은 첫 번째 계열보다 서로 더 유사하다.

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Kneen, W. R., Rogers, M. J. W., and Simpson, P. (1972)
Chemistry: Facts, patterns, and principles, Addison-Wesley, London, pp. 487−489

d-구역은 "diffuse"의 d를 따고 방위 양자수 2를 가지며, 주기율표의 중앙에 위치하고 3족에서 12족까지의 원소를 포함한다. 이 구역은 4주기부터 시작한다. 4주기부터의 주기에는 10개의 d-구역 원소가 들어갈 공간이 있다. 이 원소들의 대부분 또는 전부가 전이 금속으로 알려져 있는데, 이는 이들이 1족과 2족의 강한 전기양성 금속과 13족에서 16족의 약한 전기양성 금속 사이의 전이적인 특성 영역을 차지하기 때문이다. 3족 또는 12족은 여전히 d-구역 금속으로 분류되지만, 예를 들어 여러 산화수와 유색 화합물과 같은 전이 금속의 특징적인 화학적 특성을 많이 보이지 않기 때문에 때때로 전이 금속으로 간주되지 않는다.

d-구역 원소는 모두 금속이며 대부분 하나 이상의 화학적으로 활성인 d-궤도 전자를 가지고 있다. 서로 다른 d-궤도 전자들의 에너지 차이가 비교적 작기 때문에 화학 결합에 참여하는 전자 수가 달라질 수 있다. d-구역 원소는 1의 배수만큼 차이나는 두 개 이상의 산화 상태를 나타내는 경향이 있다. 가장 흔한 산화 상태는 +2와 +3이다. 크로뮴, 철, 몰리브데넘, 루테늄, 텅스텐, 오스뮴은 −4만큼 낮은 형식 산화수를 가질 수 있다. 이리듐은 +9의 산화 상태를 달성할 수 있는 독특한 특성을 가지고 있지만, 이는 표준 조건과는 거리가 먼 경우에만 가능하다.

d-궤도(4개는 네잎 클로버 모양, 5개는 고리가 있는 아령 모양)는 최대 5쌍의 전자를 포함할 수 있다.

f-구역

복잡한 전자 구조, 상당한 전자 상관 효과, 큰 상대론적 기여 때문에 f-구역 원소는 전자 구조 이론에 있어서 아마도 가장 도전적인 원소 집단일 것이다.

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돌그, M., 에디션 (2015)
란타넘족 및 악티늄족 화학의 계산 방법, 존 와일리 앤 선즈, 치체스터, p. xvii

f-구역은 "fundamental"의 f를 따고 방위 양자수 3을 가지며, 표준 18족 주기율표에서는 각주로 나타나지만 32족 전체 너비 주기율표에서는 2족과 3족 사이의 중앙 왼쪽에 있다. 6주기부터의 주기에는 14개의 f-구역 원소가 들어갈 공간이 있다. 이 원소는 일반적으로 어떤 족의 일부로 간주되지 않는다. 이들은 때때로 내부 전이 금속이라고 불리는데, 이는 d-구역 전이 금속이 4주기와 5주기에서 s-구역과 p-구역 사이의 전이적인 다리 역할을 하는 것과 같은 방식으로 6주기와 7주기에서 s-구역과 d-구역 사이의 전이를 제공하기 때문이다.

f-구역 원소는 두 가지 계열로 나뉜다. 6주기의 란타넘부터 이터븀까지, 7주기의 악티늄부터 노벨륨까지이다. 둘 모두 금속이다. f-궤도 전자는 6주기 f-구역 원소의 화학에서는 덜 활발하지만, 어느 정도 기여를 한다.^[5] 이들은 서로 상당히 유사하다. 7주기 초기의 f-구역 원소에서는 5f, 7s, 6d 껍질의 에너지가 상당히 비슷하여 더 활발하다. 따라서 이들 원소는 전이 금속 유사체만큼 많은 화학적 가변성을 보이는 경향이 있다. 퀴륨 이후의 7주기 후기 f-구역 원소는 6주기 원소와 더 유사하게 행동한다.

f-구역 원소는 대부분 내부 f-궤도에 하나 이상의 전자를 가지고 있다는 사실에 따라 통일된다. f-궤도 중 6개는 각각 6개의 엽을 가지고 있고, 7번째 궤도는 도넛과 두 개의 고리가 있는 아령처럼 보인다. 이들은 최대 7쌍의 전자를 포함할 수 있으며, 따라서 이 구역은 주기율표에서 14개의 열을 차지한다. 이들은 두 원소로 이루어진 "족"에서 수직 주기 경향을 식별할 수 없기 때문에 족 번호가 할당되지 않는다.

f-구역 원소의 14개 원소로 이루어진 두 줄은 때때로 란타넘족과 악티늄족과 혼동되는데, 이들은 전자 배열보다는 화학적 특성에 기반한 원소 집합의 이름이다. 이들 집합은 14개가 아닌 15개의 원소를 가지며, 해당 주기의 d-구역의 첫 번째 원소인 루테튬과 로렌슘까지 확장된다.

많은 주기율표에서 f-구역은 한 원소만큼 오른쪽으로 이동되어 란타넘과 악티늄이 d-구역 원소가 되고, Ce–Lu와 Th–Lr이 f-구역을 형성하여 d-구역을 두 개의 매우 불균형한 부분으로 나눈다. 이는 4f 껍질이 루테튬에서만 채워진다고 생각했던 초기 잘못된 전자 배열 측정의 잔재이다.^[6] 사실 이터븀이 4f 껍질을 완성하며, 이 근거로 레프 란다우와 예브게니 립시츠는 1948년에 루테튬을 f-구역 원소로 정확히 간주할 수 없다고 보았다.^[7] 그 이후로 물리적, 화학적, 전자적 증거는 f-구역이 여기 제시된 바와 같이 La–Yb 및 Ac–No 원소를 포함하며,^[6]^[8] 1988년^[8]과 2021년^[9]의 국제 순수·응용 화학 연합 보고서가 뒷받침하듯이 압도적으로 지지해 왔다.

g-구역

방위 양자수 4를 갖는 g-구역은 원자 번호 121번 근처에서 시작될 것으로 예측된다. 비록 g-궤도는 124번~126번 원자 번호 근처까지 바닥 상태에서 채워지기 시작하지 않을 것으로 예상되지만(확장 주기율표 참고), 4f 및 5f 궤도의 상황과 유사하게 121번 원소에서 화학적으로 참여하기 시작할 만큼 충분히 낮은 에너지 상태에 있을 가능성이 높다.^[10]

만약 이전 주기의 경향이 계속된다면 g-구역은 18개의 원소를 가질 것이다. 그러나 계산에 따르면 8주기에서는 주기성이 매우 강하게 흐려져 개별 구역을 명확히 구분하기 어렵게 될 것으로 예측된다. 8주기가 이전 주기의 경향을 그대로 따르지는 않을 가능성이 높다.^[11]

구역 (주기율표)

특징

s-구역

p-구역

d-구역

f-구역

g-구역

같이 보기

각주

외부 링크

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