화1 유효핵전하의 주기성 질문

쉽게 풀어보면
껍질 수가 늘어난다는 것을
1.거리 증가
2.가리움효과 증가
로 구분해보지요

보통의 주기적 성질은 대부분
거리 변화>핵전하 변화>가리움 변화
순으로 영향을 끼치는데

유효핵전하는 거리와는 관련이 전혀 없습니다.
정확히는 전자간 반발과만 관련이 있지요
예를들면 수소(양1 전1)에서
전자가 느끼는 유효핵전하는
바닥상태이든 들뜬 상태이든 같습니다.
받는 전기력의 세기는 달라지겠지요

그래서 같은 족일때 최외각 전자가 느끼는 유효핵전하가 받는 영향은
핵전하>가리움 두개만 작용한다고
생각하시면 편합니다

바로 윗분 말씀이 맞아요. 유효 핵전하는 전자가 받는 인력이 아니며, 핵과의 거리하고는 무관합니다. 예를 들어서 수소 원자 있잖아요. 수소 원자에 전자가 한개 있을텐데, 이 때 전자와 핵까지의 거리는 얼마고 전자가 어떤 껍질에 있는가와는 전혀 상관없이 전자가 받는 유효 핵전하는 무조건 +1입니다. 물론 전자가 핵에서 멀어진다면 전자가 받는 인력은 줄어들겠죠. 하지만 유효 핵전하는 무조건 +1입니다.

그럼 유효 핵전하의 실체가 뭐냐구요? 그냥 (양성자 수)-(가리움 효과)라고 알아 두시면 됩니다. 수소 원자같은 경우 (양성자 수)=1 이고, 가리움 효과를 일으키는 다른 전자가 없기 때문에 (가리움 효과)=0 이므로 이 경우 유효 핵전하는 그냥 1이 되는 거구요.

“유효핵전하 = 핵전하 - 가리움효과”인 것은 다 알고 있지만, 가리움 효과에 대한 설명은 많지 않다. 화학 1에서는 유효핵전하는 최외각 전자 1개에 대해 핵의 핵전하를 느끼는 쿨롱의 법칙으로 계산한다.
유효 핵전하를 계산하기 위해서 가리움효과를 정량적으로 표현하는 가리움상수라는 것을 도입을 한다. 가리움상수는 오비탈의 개념을 도입한 양자역학적으로 매우 복잡한 계산을 거쳐 계산되어지는데, 같은 주기에서 원자 번호가 증가할 때 핵의 양성자와 전자가 1씩 증가함에 따라 증가된 전자가 다른 전자와의 반발력등으로 효과적으로 완전히 핵의 전하를 가려 주지 못하여 그 가리움효과가 크게 나타나지 못하여 많이 증가되지 못한다. 그래서 유효핵전하는 같은 주기에서 원자번호가 증가함에 따라 증가한다. 이러한 계산은 1930년대의 Slater's rule이 수식으로 만들어져 알려져 있고 같은 주기에서는 잘 적용된다.
그러나 같은 족에서는 Slater's rule을 적용하면 약간의 오차가 생기는데 더 전문 서적에는 Clementi의 자료가 적용되고 있다. Clementi의 수식도 orbital의 복잡한 양자 역학적 수식으로 풀면서 주양자수 n과 s 오비탈이 주양자수가 증가하여도 핵 가까운 곳에서 발견될 확률이 p 오비탈 보다 크게 나타나는 “침투 효과“의 설명을 첨가하였다.

다음 원소에서 최외각 전자들의 유효핵전하(Zeff)를 비교해 보면 1족에서 밑으로 갈수록 증가한다.
H(Zeff; 1),,...................................,He(Zeff; 1.7)
Li(Zeff; 1.3) ,,,,,,,,,F(Zeff; 5.1), Ne(Zeff; 5.8)
Na(Zeff; 2.5), ,,,,,, Cl(Zeff: 6.1), Ar(Zeff; 6.8)
K (Zeff; 3.5).....

1s, 2s, 2p 오비탈의 거리에 따른 전자를 발견할 확률을 나타낸 그림에서 많이 보았을 것이다. 3s 혹은 4s도 핵 근접구역에서 작은 봉우리가 존재할 것이다. 이런 현상을 침투 현상이라고 한다. 이런 현상에 의해 Li의 2s(1), Na에서 3s(1), K의 4s(1)의 전자배치에서 각 새로운 주양자수의 s 오비탈의 특징을 볼 수 있다. Cl에서 K로 갈 때 유효 핵전하의 급격한 변화는 전자껍질의 증가, 원자의 크기에 의한 것에 의한 인력의 변화인 것은 감을 잡을 수 있을 것이다. 그리고 Na에서 K의 변화를 볼 때 K의 핵전하는 19로 증가하고 K의 4s orbital의 이런 침투 효과 때문에 전자는 핵과 만날 수 있는 기회가 더 생기고 인력적으로 더 커질 수 있게 되어 전자껍질이 증가하여 크기가 증가하더라도 유효핵전하가 약간 증가되는 것 같다.


결론적으로 보면 유효 핵전하는 오비탈로 계산된 가리움 효과를 사용하고 가리움 효과에는 각 오비탈이 갖는 거리적인 요소까지도 다 포함되므로 따로 거리를 고려할 이유는 없는 것 같다.

1. 잘못 오해하면 유효 핵전하는 정전기적인 쿨롱의 힘이라고만 생각하면 오해할 수 있는 소지가 있으므로 확실히 해둔다.

2. 전자껍질이 증가하는 족의 증가에 따른 유효 핵전하는 비록 원자의 크기는 증가하지만 s 오비탈의 특성으로 새로운 침투현상으로 인해 증가된 핵전하에 따라 약간 증가한다.

3. 유효 핵전하는 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 증가한다와 원자의 크기의 감소도 같이 설명할 수 있다. 유효 핵전하가 증가하므로 핵과 전자간의 인력이 증가하여 원자반지름이 감소한다. (물론 원자 반지름의 정의를 다시 생각하자. 동종 이원자 분자에서 핵간 거리의 반으로 정의함).

4. 이온화 에너지의 Be-B,N-O, Mg-Al, P-S의 예외를 빼면 같은 주기에서 유효 핵전하의 증가와 이온화 에너지의 증가 현상은 같다.

5. 족의 증가에 따른 이온화 에너지 감소와 유효 핵전하를 같이 연결하면 설명하기가 어렵다. (또 다른 설명이 필요하다?????. 오비탈의 에너지 준위 등 ??)

6. 족의 증가에 따른 유효 핵전하의 크기와 족의 증가에 따른 원자 반지름과의 관계 또한 설명이 어렵다. (물론 원자 반지름의 정의를 다시 생각하자. 유효 핵전하는 순수하게 원자 자체에서 얻은 값이고 원자 반지름은 ?).

chemi님, 최선의 의학님, 뜳훏뚧훏님 감사합니다. 댓글을 늦게 작성해서 죄송해요.

덕분에 유효핵전하의 주기성을 이해하는데 많은 도움이 됬습니다.

별 기대 안하고 올린 글이었지만 정성들여 답변해주셔서 정말 감사합니다!