HSC 화학을 위한 전자 배치: 원자와 이온

어떤 원자에 전자가 17개 있다는 것을 안다고 해 보자. 그렇다면 그 전자들은 실제로 어디에 있을까?

전자들이 핵 주위에, 사람들이 앞줄부터 뒤쪽으로 좌석을 채우듯 차례로 쌓인다고 상상하기 쉽다. 이런 생각은 어느 정도 유용하지만 완전하지는 않다. 전자는 특정한 에너지 준위, 부껍질, 오비탈을 차지하며, 그 순서는 단순히 1번째 껍질, 그다음 2번째 껍질, 그다음 3번째 껍질의 순서가 아니다.

계속 읽기 전에 다음을 예상해 보자. \(3p\)가 채워진 뒤, 다음 전자는 \(3d\)에 들어갈까, 아니면 \(4s\)에 들어갈까?

다음 전자는 \(4s\)에 들어간다. 이처럼 약간 이상해 보이는 결과 때문에 전자 배치는 단순히 전자 수를 세는 것만으로는 충분하지 않다.

01껍질부터 시작하기: 큰 범위의 에너지 준위

원자 속 전자는 허용된 특정 에너지값만 가질 수 있다. 우리는 이를 **껍질(shell)**로 구분하며, 주양자수 \(n\)으로 표시한다.

• \(n = 1\): 첫 번째 껍질
• \(n = 2\): 두 번째 껍질
• \(n = 3\): 세 번째 껍질
• \(n = 4\): 네 번째 껍질

처음 떠올릴 수 있는 모형으로 여러 층으로 된 아파트 건물을 생각해 보자. 껍질 번호는 몇 층인지를 나타낸다.

이 그림은 도움이 되지만 곧 한계가 드러난다. 각 층은 서로 다른 종류의 방으로 나뉘며, 어떤 방은 바로 아래층의 방보다 에너지가 더 낮을 수도 있다. 전자에게 중요한 것은 단순히 층 번호가 아니라 에너지다.

한 껍질에 들어갈 수 있는 최대 전자 수는 다음과 같다.

\[
2n^2
\]

여기서 \(n\)은 껍질 번호이다.

예를 들어 두 번째 껍질에는 다음과 같이 최대 8개의 전자가 들어갈 수 있다.

\[
2(2)^2 = 8 \text{개의 전자}
\]

세 번째 껍질에는 최대 다음과 같이 18개의 전자가 들어갈 수 있다.

\[
2(3)^2 = 18 \text{개의 전자}
\]

하지만 이것이 처음 18개의 전자가 \(2, 8, 8\)의 형태로 껍질을 채운 뒤, 네 번째 껍질을 채우기 전에 세 번째 껍질을 완전히 채운다는 뜻은 아니다. 실제로 어떤 순서로 채워지는지 이해하려면 부껍질을 알아야 한다.

02부껍질: 각 껍질을 서로 다른 에너지 영역으로 나누기

각 껍질에는 하나 이상의 **부껍질(subshell)**이 있으며, \(s\), \(p\), \(d\), \(f\)로 표시한다.

숫자는 껍질을 나타내고, 문자는 부껍질을 나타낸다.

따라서 \(3p\)는 세 번째 껍질에 있는 \(p\) 부껍질을 의미한다.

각 종류의 부껍질에는 들어갈 수 있는 전자의 최대 개수가 정해져 있다.

이 표를 서로 관련 없는 네 개의 숫자로 외우기보다는 원리를 이해하는 것이 좋다. 각 오비탈에는 최대 두 개의 전자가 들어갈 수 있으므로, 최대 전자 수는 오비탈 수의 두 배이다.

03오비탈: 전자가 최대 두 개만 들어가는 이유

오비탈은 전자의 양자 상태로 기술되는 영역이다. HSC 화학에서 중요한 점은 각 오비탈에 최대 두 개의 전자가 들어갈 수 있으며, 그 두 전자는 서로 반대 방향의 스핀을 가져야 한다는 것이다.

보통 오비탈은 상자로, 전자는 화살표로 나타낸다.

\(1s:\ [\uparrow\downarrow]\)

이 화살표는 전자가 실제로 작은 화살표처럼 시계 방향이나 반시계 방향으로 회전한다는 뜻이 아니다. 두 가지 허용된 스핀 상태를 나타낸다.

같은 원자 안의 두 전자가 완전히 동일한 양자수 집합을 가질 수 없도록 하는 규칙을 **파울리 배타 원리(Pauli exclusion principle)**라고 한다. 이 원리에 따라 한 오비탈에는 서로 반대 스핀을 가진 전자가 최대 두 개까지 들어갈 수 있다.

04바닥상태 전자 배치를 결정하는 세 가지 규칙

**바닥상태 전자 배치(ground-state electronic configuration)**는 원자의 전자가 가질 수 있는 가장 낮은 에너지의 배열이다.

전자 배치를 쓸 때는 세 가지 주요 원리가 적용된다.

1. 에너지가 낮은 오비탈부터 채운다

이를 흔히 **아우프바우 원리(Aufbau principle)**라고 한다.

주기율표의 앞부분에 해당하는 원소들에서는 채워지는 순서가 다음과 같다.

\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s,\ 4d,\ 5p,\ 6s,\ldots
\]

중요한 부분에 주목하자.

\[
3p \rightarrow 4s \rightarrow 3d
\]

즉, \(3d\)보다 \(4s\)가 먼저 채워지기 시작한다.

껍질 번호만 보면 \(3d\)가 \(4s\)보다 먼저라고 예상할 수도 있다. 3이 4보다 작기 때문에 그렇게 생각하는 것은 자연스럽다. 하지만 전자는 단순히 껍질 번호가 아니라 오비탈의 에너지에 따라 채워진다.

2. 하나의 오비탈에는 전자를 두 개보다 많이 넣지 않는다

이는 파울리 배타 원리에 따른다.

\(s\) 부껍질에는 오비탈이 하나 있으므로 최대 두 개의 전자가 들어갈 수 있다.

\(s^2\)

\(p\) 부껍질에는 오비탈이 세 개 있으므로 최대 여섯 개가 들어갈 수 있다.

\(p^6\)

\(d\) 부껍질에는 오비탈이 다섯 개 있으므로 최대 열 개가 들어갈 수 있다.

\(d^{10}\)

3. 전자끼리 짝을 이루기 전에 먼저 따로 배치한다

이것이 **훈트의 규칙(Hund’s rule)**이다.

세 개의 전자가 \(p\) 부껍질에 들어가야 한다고 해 보자. \(p\) 부껍질에는 세 개의 오비탈이 있다.

바닥상태 배열은 다음과 같다.

\[
[\uparrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]
\]

다음과 같지 않다.

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\ ]
\]

전자는 같은 에너지를 갖는 오비탈에 먼저 하나씩 들어간 뒤에 짝을 이루기 시작한다.

조금 우스운 비유를 하자면, 거의 비어 있는 버스를 생각할 수 있다. 세 사람이 버스에 탔고 두 자리씩 붙어 있는 빈 좌석이 세 쌍 있다면, 보통은 처음부터 서로 어깨를 맞대고 앉기보다 떨어져 앉을 것이다. 훈트의 규칙도 이와 비슷한 형태를 보인다.

물론 이 비유에는 한계가 있다. 전자들이 사회적인 선택을 하는 것은 아니다. 실제 배열은 양자역학과 전자 사이의 상호작용에서 비롯된다.

05전자 배치를 쓰는 방법

먼저 전자의 수를 구한 다음, 각 부껍질의 수용 한도를 넘지 않도록 에너지가 낮은 순서대로 부껍질을 채운다.

중성 원자의 경우:

\[
\text{전자 수} = \text{원자 번호}
\]

이온의 경우에는 전하에 맞게 전자 수를 조정한다.

\(2+\) 이온은 전자 두 개를 잃은 것이다.

\(1-\) 이온은 전자 한 개를 얻은 것이다.

전자 배치는 중성자의 수가 아니라 전자의 수와 핵전하에 의해 결정된다. 따라서 같은 원소의 두 동위원소가 모두 중성이라면 바닥상태 전자 배치는 동일하다. 원자 번호, 질량수, 동위원소의 차이를 다시 확인하고 싶다면 HSC 화학을 위한 안정 동위원소와 불안정 동위원소 설명을 참고하자.

풀이 예시: 황의 전자 배치 쓰기

원자 번호가 16인 중성 황 원자의 전체 바닥상태 전자 배치를 써 보자.

1단계: 전자 수를 구한다.

중성 황 원자는 양성자가 16개이므로 전자도 16개이다.

2단계: 순서대로 부껍질을 채운다.

채워지는 순서는 다음과 같이 시작한다.

\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p
\]

전자 16개를 채우면 다음과 같다.

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\]

3단계: 전자의 총수를 확인한다.

\[
2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16
\]

따라서 바닥상태 전자 배치는 다음과 같다.

\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4}
\]

\(3p^4\)는 네 개의 전자가 황의 세 개 \(3p\) 오비탈을 차지한다는 뜻이다. 훈트의 규칙에 따른 오비탈 배열은 다음과 같다.

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]
\]

세 개의 \(p\) 오비탈은 고립된 원자에서 같은 에너지를 가지므로 어느 상자에 전자쌍을 넣는지는 임의적이다.

06비활성 기체 축약 표기

전자 배치가 길어지면 쓰기 번거로워지므로, 이미 완전히 채워진 안쪽 껍질은 흔히 바로 앞 비활성 기체의 기호로 대신한다.

황의 전자 배치는 다음과 같다.

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\]

처음 10개의 전자는 네온과 동일하므로 다음과 같이 쓸 수 있다.

\[
\boxed{\ce{[Ne]}\,3s^2\,3p^4}
\]

대괄호는 “이 비활성 기체의 전체 전자 배치”를 의미한다.

이 축약 표기는 전자 배치를 바꾸는 것이 아니다. 이미 채워진 안쪽 부껍질을 반복해서 쓰지 않을 뿐이다.

07이온의 전자 배치 쓰기

주족 원소의 이온에서는 다음 방법이 가장 안전하다.

1. 이온의 전자 수를 구한다.
2. 그 전자들을 가능한 가장 낮은 에너지 준위부터 채운다.

예를 들어 염소의 원자 번호는 17이다.

중성 염소에는 전자가 17개 있다.

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

염화 이온 \(\mathrm{Cl}^{-}\)은 전자 한 개를 얻었으므로 전자가 18개이다.

\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6}
\]

또는 다음과 같이 쓸 수 있다.

\[
\boxed{\ce{[Ar]}}
\]

칼슘의 원자 번호는 20이다. 중성 칼슘은 다음과 같다.

\[
\ce{[Ar]}\,4s^2
\]

칼슘 이온 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)은 이 바깥쪽 전자 두 개를 잃는다.

\[
\boxed{\ce{[Ar]}}
\]

여기까지는 “써 놓은 전자 배치의 끝에서부터 전자를 제거한다”는 방법이 잘 맞는 것처럼 보인다.

그러다가 전이 금속이 등장해 그 지름길을 무너뜨린다.

08전이 금속의 함정: \(3d\)보다 \(4s\)에서 먼저 전자를 제거한다

원자 번호 26인 철을 생각해 보자.

중성 철의 바닥상태 전자 배치는 다음과 같다.

\[
\boxed{\ce{[Ar]}\,4s^2\,3d^6}
\]

다음과 같이 표기된 것을 볼 수도 있다.

\[
\ce{[Ar]}\,3d^6\,4s^2
\]

두 표기법 모두 같은 부껍질들이 전자로 채워져 있음을 나타낸다.

이제 \(\mathrm{Fe}^{2+}\)의 전자 배치를 예상해 보자. 채워지는 순서에서 \(3d\)가 \(4s\) 다음에 나오므로 \(3d\)에서 전자 두 개를 제거해야 할까?

아니다. \(4s\) 전자가 먼저 제거된다.

따라서:

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{2+}: [Ar]\,3d^6}
\]

\(\mathrm{Fe}^{3+}\)의 경우에는 \(3d\)에서 전자 하나를 추가로 제거한다.

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{3+}: [Ar]\,3d^5}
\]

채워지는 순서를 절대로 변하지 않는 고정된 계단처럼 생각할 때만 이것이 모순처럼 보인다.

“\(4s\)가 \(3d\)보다 먼저 채워진다”는 단순화된 규칙은 많은 중성 원자의 전자 배치를 구성할 때 유용하다. 하지만 \(3d\) 부껍질에 전자가 들어간 뒤에는 전자의 배열에 따라 오비탈의 상대적인 에너지가 달라진다. 일반적인 전이 금속 양이온에서는 \(3d\) 전자보다 \(4s\) 전자가 먼저 빠져나간다.

따라서 HSC에서 신뢰할 수 있는 규칙은 다음과 같다.

일반적인 중성 원자의 전자 배치를 구성할 때는 \(3d\)보다 \(4s\)를 먼저 채우지만, 전이 금속 양이온을 만들 때는 \(3d\)보다 \(4s\) 전자를 먼저 제거한다.

풀이 예시: \(\mathrm{Co}^{3+}\)의 전자 배치 쓰기

코발트의 원자 번호는 27이다. \(\mathrm{Co}^{3+}\)의 바닥상태 전자 배치를 써 보자.

1단계: 중성 코발트의 전자 배치를 쓴다.

코발트에는 전자가 27개 있다.

\[
\ce{Co}: [Ar]\,4s^2\,3d^7
\]

2단계: 몇 개의 전자가 제거되었는지 구한다.

\(3+\) 전하는 코발트가 전자 세 개를 잃었다는 뜻이다.

3단계: \(4s\)에서 먼저 전자를 제거한다.

\(4s\) 전자 두 개를 제거하면 다음과 같다.

\[
\ce{[Ar]\,3d^7}
\]

그다음 \(3d\)에서 전자 한 개를 더 제거해야 한다.

\[
\ce{[Ar]\,3d^6}
\]

따라서:

\[
\boxed{\mathrm{Co}^{3+}: [Ar]\,3d^6}
\]

이 이온에는 전자가 24개 있다. 확인하면:

\[
18 + 6 = 24
\]

이 예시는 중요하다. 단순히 마지막으로 채워진 부껍질에서 전자 세 개를 지우는 방법은 잘못된 답을 내기 때문이다.

09크로뮴과 구리: 단순한 채움 패턴을 수정해야 하는 경우

일반적인 전자 채움 순서는 매우 잘 작동하는 모형이지만, 중요한 예외가 있다.

원자 번호 24인 크로뮴에 단순한 아우프바우 원리를 적용하면 다음과 같이 예상할 수 있다.

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^4}
\]

하지만 관찰된 바닥상태 전자 배치는 다음과 같다.

\[
\boxed{\ce{Cr}: [Ar]\,4s^1\,3d^5}
\]

원자 번호 29인 구리의 경우 단순한 예측은 다음과 같다.

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^9}
\]

하지만 바닥상태 전자 배치는 다음과 같다.

\[
\boxed{\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}}
\]

때때로 이를 “\(d\) 부껍질이 반쯤 채워져 있거나 완전히 채워져 있으면 더 안정하다”라고 설명한다. 이것은 기억을 돕는 데는 유용하지만 완전한 물리적 설명은 아니다. 실제 에너지는 전자-전자 상호작용을 비롯한 여러 요소에 의해 결정되며, 이 배열들 사이의 에너지 차이는 작다.

HSC에서 중요한 실용적 핵심은 다음과 같다. 크로뮴과 구리의 바닥상태 전자 배치를 묻는 문제에서는 가장 단순한 아우프바우 패턴에 억지로 맞추지 않는다.

이 원소들의 이온에서도 전이 금속의 전자 제거 규칙은 그대로 적용된다.

예를 들어:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

\(\mathrm{Cu}^{+}\)를 만들기 위해 \(4s\) 전자를 제거하면:

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}}
\]

그다음 \(3d\) 전자 하나를 제거하여 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)를 만들면:

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9}
\]

10껍질 표기와 부껍질 표기는 같은 것이 아니다

때로는 전자를 껍질별로만 나타내기도 한다.

염소의 경우:

\[
2,\ 8,\ 7
\]

이는 첫 번째 껍질에 전자 2개, 두 번째 껍질에 8개, 세 번째 껍질에 7개가 있다는 뜻이다.

부껍질 전자 배치는 훨씬 더 구체적이다.

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

두 표현 모두 유용한 정보를 담고 있지만 서로 다른 질문에 답한다.

껍질 표기는 각 주에너지 준위에 몇 개의 전자가 있는지 알려 준다.

부껍질 표기는 전자들이 어떤 \(s\), \(p\), \(d\), 또는 \(f\) 부껍질을 차지하는지 알려 준다.

문제에서 “부껍질 표기를 사용하여” 전자 배치를 쓰라고 한다면 \(2,8,7\)만 쓰는 것은 충분하지 않다.

11시험 문제를 위한 간단한 방법

바닥상태 전자 배치를 구해야 할 때는 다음 순서로 풀면 된다.

1. 전자 수를 구한다. 원자 번호에서 시작해 전하에 따라 조정한다.
2. 올바른 부껍질을 채운다. 단순히 껍질 번호가 아니라 에너지 순서를 사용한다.
3. 각 부껍질의 최대 수용량을 지킨다. \(s^2\), \(p^6\), \(d^{10}\), \(f^{14}\).
4. 개별 오비탈이 표시되어 있다면 훈트의 규칙을 적용한다.
5. 전이 금속 양이온에서는 \(3d\)보다 \(4s\)에서 먼저 전자를 제거한다.
6. Cr과 Cu처럼 실제로 존재하는 바닥상태 예외를 기억한다.
7. 마지막에 위첨자들을 모두 더한다. 그 합은 전체 전자 수와 같아야 한다.

이 마지막 확인만으로도 놀랄 만큼 많은 실수를 잡아낼 수 있다.

12문제와 풀이

문제 1

중성 인 원자의 원자 번호는 15이다.

다음을 쓰시오.

a) 전체 바닥상태 전자 배치
b) 껍질 전자 배치

풀이 1

전자 배치는 각각 \(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3\)와 \(2,8,5\)이다.

인은 중성이므로 15개의 양성자에 대응하여 전자도 15개이다. 에너지 순서에 따라 부껍질을 채우면 다음과 같다.

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]

전체 전자 수는:

\[
2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15
\]

이를 껍질 표기로 바꾸려면 주껍질 번호가 같은 전자들을 묶는다.

• \(n=1\): \(1s^2\), 전자 2개
• \(n=2\): \(2s^2 + 2p^6\), 전자 8개
• \(n=3\): \(3s^2 + 3p^3\), 전자 5개

따라서:

\[
\boxed{2,8,5}
\]

흔한 실수 중 하나는 \(3p^3\)의 위첨자를 세 번째 껍질의 전체 전자 수로 착각하는 것이다. \(3s^2\)에 있는 전자도 포함해야 한다.

문제 2

산화물 이온은 \(\mathrm{O}^{2-}\)로 표시한다. 산소의 원자 번호는 8이다.

이 이온의 전체 전자 배치를 쓰고, 왜 중성 산소 원자보다 전자를 더 많이 가지고 있는지 설명하시오.

풀이 2

산화물 이온에는 전자가 10개 있으므로 전자 배치는 \(1s^2\,2s^2\,2p^6\)이다.

중성 산소에는 전자가 8개 있다.

\[
\ce{O}: 1s^2\,2s^2\,2p^4
\]

\(2-\) 전하는 원자가 전자 두 개를 얻었다는 뜻이다.

\[
8 + 2 = 10 \text{개의 전자}
\]

전자 10개를 채우면:

\[
\boxed{\mathrm{O}^{2-}: 1s^2\,2s^2\,2p^6}
\]

음전하라고 해서 전자의 개수가 음수라는 뜻은 아니다. 양전하를 띠는 양성자보다 음전하를 띠는 전자가 두 개 더 많다는 뜻이다.

문제 3

한 학생이 질소의 세 \(2p\) 전자에 대한 바닥상태 오비탈 배열을 다음과 같이 제시했다.

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\ ]
\]

이 배열의 잘못된 점을 설명하고 올바른 \(2p\) 배열을 그리시오.

풀이 3

이 배열은 훈트의 규칙에 따라 에너지가 같은 세 개의 \(2p\) 오비탈은 어떤 전자도 짝을 이루기 전에 먼저 하나씩 채워져야 하기 때문에 잘못되었다.

질소의 전자 배치는 다음과 같다.

\[
1s^2\,2s^2\,2p^3
\]

따라서 세 개의 \(2p\) 전자는 서로 다른 \(p\) 오비탈을 각각 하나씩 차지한다.

\[
\boxed{[\uparrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]}
\]

학생의 배열은 한 오비탈에 들어갈 수 있는 전자가 최대 두 개라는 규칙을 위반하지 않기 때문에 얼핏 타당해 보일 수 있다. 문제는 그것이 가장 낮은 에너지의 배열이 아니라는 점이다. 해당 부껍질의 각 오비탈에 전자가 하나씩 들어간 뒤에야 전자쌍이 형성되기 시작한다.

문제 4

철의 원자 번호는 26이다. 한 학생이 다음과 같이 썼다.

\[
\ce{Fe}: [Ar]\,4s^2\,3d^6
\]

그런 다음 다음과 같이 주장했다.

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^3}
\]

“\(3d\) 전자가 \(4s\) 전자보다 나중에 추가되었으므로 먼저 제거되어야 한다”는 이유로 이것이 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)의 전자 배치라고 주장한 것이다.

\(\mathrm{Fe}^{3+}\)의 올바른 전자 배치를 제시하고, 학생의 추론에서 잘못된 점을 설명하시오.

풀이 4

올바른 전자 배치는 \(\ce{[Ar]\,3d^5}\)이다.

중성 철은:

\[
\ce{Fe}: [Ar]\,4s^2\,3d^6
\]

\(\mathrm{Fe}^{3+}\)를 만들려면 전자 세 개를 제거해야 한다. 전이 금속 양이온에서는 \(3d\) 전자보다 \(4s\) 전자를 먼저 제거한다.

먼저 \(4s\) 전자 두 개를 제거하면:

\[
\ce{[Ar]\,3d^6}
\]

그다음 \(3d\) 전자 한 개를 제거하면:

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{3+}: [Ar]\,3d^5}
\]

이 학생은 중성 원자에서 전자가 채워지는 순서가 전자가 제거되는 순서도 결정한다고 생각했다. 하지만 그렇지 않다. 채워진 오비탈들의 상대적인 에너지는 전자 배열과 무관하게 고정되어 있는 것이 아니며, 이러한 전이 금속 양이온에서는 \(4s\) 전자가 먼저 제거된다.

전자 수를 확인해도 이 결과가 맞음을 알 수 있다. 중성 철에는 전자가 26개 있으므로 \(\mathrm{Fe}^{3+}\)에는 다음과 같이 전자가 있다.

\[
26 – 3 = 23
\]

전자 배치 \(\ce{[Ar]\,3d^5}\)에는 다음과 같이 전자가 있다.

\[
18 + 5 = 23
\]

개의 전자이다.

문제 5

구리의 원자 번호는 29이며 바닥상태 전자 배치는 다음과 같다.

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

가상의 학생이 다음 두 가지를 주장한다고 하자.

1. \(d\) 부껍질이 마지막에 쓰였기 때문에 \(\mathrm{Cu}^{+}\)는 \(\ce{[Ar]\,4s^1\,3d^9}\)이어야 한다.
2. 구리는 \(3d^{10}\)을 “선호”하므로 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)는 \(3d\) 부껍질이 완전히 채워져 있어야 한다.

두 주장을 모두 평가하고 \(\mathrm{Cu}^{+}\)와 \(\mathrm{Cu}^{2+}\)의 올바른 전자 배치를 제시하시오.

풀이 5

두 주장 모두 잘못되었다. 올바른 전자 배치는 \(\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}\) 및 \(\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9\)이다.

관찰된 바닥상태 전자 배치에서 시작하자.

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

\(\mathrm{Cu}^{+}\)에서는 전자 한 개가 제거된다. \(3d\) 전자보다 \(4s\) 전자가 먼저 제거된다.

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}}
\]

중성 구리에는 전자가 29개 있으므로 \(\mathrm{Cu}^{+}\)에는 전자가 28개 있어야 한다. 위 전자 배치에는 다음과 같이 전자가 있다.

\[
18 + 10 = 28
\]

\(\mathrm{Cu}^{2+}\)에서는 전자 하나를 더 제거해야 한다. 이제 \(4s\) 부껍질은 비어 있으므로 그 전자는 \(3d\)에서 제거된다.

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9}
\]

여기에는 다음과 같이 전자가 있다.

\[
18 + 9 = 27
\]

이는 \(2+\) 이온에 필요한 전자 수와 일치한다.

첫 번째 주장이 잘못된 이유는 부껍질을 어떤 순서로 적었는지가 전자 제거의 규칙을 결정하지 않기 때문이다.

두 번째 주장은 중성 구리의 바닥상태에 관한 유용한 관찰을 절대적인 법칙으로 잘못 확장한 것이다. \(3d\) 부껍질이 완전히 채워져 있다는 사실이 구리가 또 다른 전자 하나를 잃는 것을 막지는 않는다. \(\mathrm{Cu}^{2+}\)가 형성된 뒤에는 전자 수에 따라 \(3d^9\)이어야 한다.

예외를 생각할 때는 이렇게 접근하는 것이 더 유용하다. 실험적으로 확립된 바닥상태 전자 배치를 사용하고, 이온화 규칙을 올바르게 적용한 뒤, 모든 화학종을 보기 좋은 특정 형태에 억지로 맞추려 하지 말고 최종 전자 수를 확인한다.

13전자 배치가 다음으로 설명해 주는 것

전자 수, 껍질, 부껍질, 오비탈, 이온 사이를 자유롭게 오갈 수 있게 되면 이후에 배우는 여러 개념도 서로 별개의 사실처럼 보이지 않게 된다.

주기율표에서 원소의 위치는 그 원소의 바닥상태 전자 배치 구조를 반영한다. 원자가 전자는 흔한 이온의 전하와 화학 결합을 설명하는 데 도움이 된다. 홀전자는 자기적 성질을 설명하는 데 도움이 되며, 전자 에너지 준위 사이의 변화는 전자 구조를 원자 방출 스펙트럼과 연결해 준다.

따라서 이후 화학 문제에서 어떤 원소가 특정한 방식으로 반응하는 이유를 묻는다면, 전자 배치를 가장 먼저 살펴보는 것이 좋다. 전자 배치는 어떤 전자들이 존재하는지, 어떤 전자들이 가장 쉽게 제거되거나 공유될 수 있는지, 그리고 다음에 어떤 배열이 가능한지를 알려 준다.