왜 전이금속 이온에서 3d 오비탈이 4s 오비탈보다 더 안정한가? (Chemistry, Transition metals, Atomic orbitals, Electron removal, Energy levels, Effective nuclear charge)

질문 요약

일반화학 교과서 229페이지에서 중성 원자에서는 4s 오비탈이 3d 오비탈보다 에너지가 낮으며, 이온에서는 반대라고 나옵니다. 왜 전이금속이 이온이 되면 3d 오비탈의 에너지가 더 낮아지는지 이해가 안 됩니다. 중성 원자에서는 4s 오비탈이 3d 오비탈보다 안정한데, 왜 이온을 만들 때는 4s 오비탈에서 먼저 전자가 제거되나요? 더 에너지가 높은 3d 오비탈에서 전자가 제거되어야 하는 것 아닌가요?

답변 요약

채워질 때는 주양자수와 부양자수의 합이 중요합니다. 따라서 4s(4+0)보다 3d(3+2)가 더 나중에 채워집니다. 제거될 때는 유효핵전하가 중요합니다. 유효핵전하는 핵전하에서 가려막기 효과를 뺀 값으로 계산합니다. 예를 들어, 철(원자 번호 6번)의 경우 3d 오비탈 전자의 가려막기 효과는 19.75이고, 4s 오비탈 전자의 가려막기 효과는 23.45입니다. 따라서 유효핵전하가 더 작은 4s 오비탈 전자가 제거됩니다.

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왜 전이금속 이온에서 3d 오비탈이 4s 오비탈보다 더 안정한가?

일반화학 교과서에서는 중성 원자에서 4s 오비탈이 3d 오비탈보다 에너지가 낮으며, 이온 상태에서는 반대라고 설명합니다. 이는 화학에서 중요한 개념 중 하나이며, 다소 혼란스러울 수 있습니다. 이번 글에서는 왜 전이금속이 이온이 되면 3d 오비탈의 에너지가 더 낮아지는지, 이온화 과정에서 먼저 4s 오비탈에서 전자가 제거되는 이유에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

오비탈 에너지와 전자 배치

원자의 전자 배치는 주양자수와 부양자수에 따라 결정됩니다. 주양자수는 오비탈의 크기와 에너지를, 부양자수는 오비탈의 형태를 나타냅니다. 일반적으로 전자는 주양자수와 부양자수의 합이 작은 순서대로 채워집니다. 이러한 규칙을 따라 중성 원자에서는 4s 오비탈이 3d 오비탈보다 먼저 채워집니다.

1. 주양자수 (n): 오비탈의 크기와 에너지를 나타냅니다.
2. 부양자수 (l): 오비탈의 형태를 나타냅니다.

따라서 4s 오비탈은 주양자수 4와 부양자수 0으로 이뤄져 있으며, 그 합은 4로 계산됩니다. 반면 3d 오비탈은 주양자수 3과 부양자수 2로 이뤄져 그 합은 5입니다. 이로 인해 전자는 4s 오비탈에 먼저 채워집니다.

이온화와 유효핵전하

이온화 과정에서는 유효핵전하가 중요한 역할을 합니다. 유효핵전하는 실제 핵전하에서 가려막기 효과를 뺀 값을 의미합니다. 가려막기 효과는 전자가 서로를 얼마나 밀어내는지를 나타내며, 이는 오비탈의 에너지 수준에 영향을 미칩니다.

• 유효핵전하 (\(Z_{\text{eff}}\)): 실제 핵전하 (Z) - 가려막기 효과 (S)

이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다:

\[ Z_{\text{eff}} = Z - S \]

전이금속 이온에서 3d 오비탈과 4s 오비탈의 가려막기 효과를 비교해보겠습니다. 예를 들어, 철(원자 번호 26)의 경우를 살펴보면 다음과 같습니다:

• 3d 오비탈 전자의 가려막기 효과: 19.75
• 4s 오비탈 전자의 가려막기 효과: 23.45

따라서 유효핵전하가 더 작은 4s 오비탈 전자가 먼저 제거됩니다. 이는 4s 오비탈 전자가 3d 오비탈 전자보다 더 외곽에 위치해 있으며, 핵으로부터 느끼는 인력이 더 약하기 때문입니다.

전이금속 이온의 전자 배치

전이금속 이온의 전자 배치는 중성 원자와 다르게 3d 오비탈이 4s 오비탈보다 더 안정한 구조를 가지게 됩니다. 이는 전자가 제거될 때 4s 오비탈에서 먼저 제거되기 때문입니다. 이를 통해 전이금속 이온의 전자 배치가 결정됩니다.

예를 들어, 철(Fe)과 철 이온(Fe²⁺)의 전자 배치를 비교해 보겠습니다:

• 철(Fe) 중성 원자: [Ar] 4s² 3d⁶
• 철 이온(Fe²⁺): [Ar] 3d⁶

중성 원자에서는 4s 오비탈이 먼저 채워지지만, 이온화되면서 4s 오비탈 전자가 먼저 제거되므로 3d 오비탈이 더 안정한 구조를 가지게 됩니다.

결론

결론적으로, 전이금속 이온에서 3d 오비탈이 4s 오비탈보다 더 안정한 이유는 이온화 과정에서 유효핵전하와 가려막기 효과의 차이 때문입니다. 중성 원자에서는 4s 오비탈이 3d 오비탈보다 먼저 채워지지만, 이온화될 때는 유효핵전하가 더 작은 4s 오비탈 전자가 먼저 제거되기 때문에 3d 오비탈이 더 안정한 구조를 가지게 됩니다. 이로 인해 전이금속 이온의 전자 배치가 변화하며, 이는 전이금속의 화학적 성질에 큰 영향을 미칩니다.

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