HSC 화학: 주기율표에서 나타나는 물질의 상태 경향

염소는 기체입니다. 주기율표에서 바로 아래에 있는 브로민은 액체입니다. 브로민 바로 아래에 있는 아이오딘은 고체입니다.

이것은 생각해 볼 만한 좋은 문제입니다. 이 원소들은 모두 17족에 속하고 화학적 성질도 비슷한데, 왜 물리적 상태는 같지 않을까요?

계속 읽기 전에 한 가지 예측해 보세요. 17족에서 아래로 내려갈수록 입자들은 서로 분리하기가 더 쉬워질까요, 더 어려워질까요?

입자들은 서로 분리하기가 더 어려워집니다. 이 한 가지 생각으로 할로젠족에서 아래로 내려갈 때 기체에서 액체, 고체로 변하는 패턴을 설명할 수 있으며, 모든 원소의 상태를 외우지 않고도 주기율표의 많은 부분을 이해할 수 있습니다.

01물질의 상태는 인력과 열운동의 경쟁이다

물질 속의 입자들은 항상 움직이고 있습니다. 온도가 높아지면 입자들은 더 많은 열에너지를 가지며, 평균적으로 더 활발하게 움직입니다.

동시에 입자들은 서로 끌어당길 수 있습니다.

조금 어색한 파티를 떠올려 볼 수 있습니다. 열운동은 모든 사람이 방 안을 돌아다니는 것과 같고, 인력은 사람들이 계속 무리를 이루게 하는 이유와 같습니다.

입자 사이의 인력이 입자의 열운동에 비해 약하면, 입자들은 서로 멀리 떨어질 수 있고 그 물질은 기체가 됩니다.

인력이 입자들을 서로 가까이 있게 할 만큼 강하지만 한 위치에 고정할 정도는 아니라면, 그 물질은 액체가 될 수 있습니다.

구조가 입자들을 고정된 위치에 잡아 두고 입자들이 주로 그 위치 주변에서 진동한다면, 그 물질은 고체입니다.

이 비유에는 한계가 있습니다. 입자들은 결정을 내리지 않으며, 서로 다른 물질은 매우 다양한 종류의 결합과 인력에 의해 유지될 수 있습니다. 여기서 유용한 핵심은 경쟁 관계입니다. 열에너지는 입자들을 서로 떨어뜨리려는 경향이 있고, 인력에 의한 상호작용은 입자들을 서로 붙잡아 두려는 경향이 있습니다.

02실온에서의 상태는 실제로 녹는점과 끓는점의 문제이다

원소가 영원히 고체, 액체 또는 기체인 것은 아닙니다. 그 상태는 온도와 압력에 따라 달라집니다.

HSC 화학 문제에서 “실온”은 일반적으로 약 \(20^\circ\text{C}\)에서 \(25^\circ\text{C}\) 정도를 의미하며, 압력은 대기압에 가깝다고 봅니다.

압력이 일정할 때:

어떤 원소가 \(10^\circ\text{C}\)에서 녹고 \(80^\circ\text{C}\)에서 끓는다고 가정해 봅시다. \(25^\circ\text{C}\)에서는,

\[
10^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<80^\circ\text{C}
\]

이므로 액체입니다.

이렇게 하면 앞에서 살펴본 입자 모형을 더 정확하게 표현할 수 있습니다. 더 강한 인력을 극복하려면 일반적으로 더 많은 에너지가 필요하므로, 인력이 강할수록 녹는점이나 끓는점이 높아지는 경향이 있습니다.

주기율표가 유용한 이유는 원소의 위치를 통해 그 원소의 구조와 결합에 대한 단서를 얻을 수 있고, 이를 바탕으로 녹는점과 끓는점을 추론할 수 있기 때문입니다.

03주기율표 전반에 나타나는 큰 패턴

대부분의 원소는 실온에서 고체입니다.

기체 상태의 원소는 수소를 제외하면 주로 주기율표의 오른쪽 위에 집중되어 있습니다. 실온에서 액체인 익숙한 원소는 극소수에 불과합니다.

먼저 다음과 같은 지도를 떠올리면 유용합니다.

이것은 하나의 경향이지, 생각 없이 주기율표의 각 칸에 색을 칠할 수 있게 해 주는 법칙은 아닙니다.

예를 들어 수은은 금속이지만 실온에서 액체입니다. 갈륨과 세슘은 \(25^\circ\text{C}\)에서 고체이지만, 둘 다 실온보다 그리 높지 않은 온도에서 녹습니다. 따라서 상 경계에 가까운 경우에는 주변 환경이 따뜻한지도 중요할 수 있습니다.

더 좋은 질문은 단순히 “금속인가, 비금속인가?”가 아닙니다.

다음과 같이 질문해 보세요.

이 원소는 어떤 입자 또는 구조를 이루며, 그것들을 서로 분리하기가 얼마나 어려운가?

04대부분의 금속이 고체인 이유

금속은 서로 떨어진 작은 금속 분자들로 이루어져 있지 않습니다. 금속 원자들은 연속적인 금속 구조를 형성합니다.

금속 결합 모형에서는 양전하를 띤 금속 이온과 격자 전체에 퍼져 있는 비편재화 전자 사이에 인력이 작용합니다. 금속이 녹으려면 입자들이 서로 지나쳐 이동할 수 있을 정도로 이러한 인력을 충분히 극복해야 합니다.

대부분의 경우 이를 위해서는 실온보다 높은 온도가 필요하므로, 대부분의 금속은 \(25^\circ\text{C}\)에서 고체입니다.

하지만 금속들 사이에도 중요한 차이가 있습니다. 금속 결합의 세기는 모든 원소에서 정확히 같지 않습니다. 원자 크기, 전하, 전자 배열, 결정 구조가 모두 영향을 줍니다.

그래서 “금속 = 고체”는 처음 예측할 때 유용하지만 정확한 법칙은 아닙니다.

수은은 실온에서 나타나는 유명한 예외로, 액체입니다.

05오른쪽 위에 기체가 많은 이유

이제 주기율표의 오른쪽 위를 살펴봅시다.

여러 비금속 원소는 작은 분자로 존재합니다.

• 수소, \(\ce{H2}\)
• 질소, \(\ce{N2}\)
• 산소, \(\ce{O2}\)
• 플루오린, \(\ce{F2}\)
• 염소, \(\ce{Cl2}\)

이러한 분자 내부의 공유 결합은 매우 강할 수 있습니다. 예를 들어 질소의 \(\ce{N#N}\) 결합은 결코 약한 결합이 아닙니다.

그러나 질소를 끓이기 위해 모든 \(\ce{N#N}\) 결합을 끊어야 하는 것은 아닙니다.

이 차이는 매우 중요합니다.

단순 분자 물질이 녹거나 끓을 때 주로 극복하는 것은 분자 사이의 분자 간 힘입니다. 각 분자 내부의 공유 결합은 그대로 유지됩니다.

작은 분자들 사이에는 비교적 약한 런던 분산력이 작용하는 경향이 있으므로, 이러한 원소 중 많은 것의 끓는점은 실온보다 훨씬 낮습니다. 따라서 \(25^\circ\text{C}\)에서 기체입니다.

06할로젠은 이 경향을 매우 잘 보여 준다

17족을 살펴봅시다.

족을 따라 아래로 내려갈수록 녹는점과 끓는점이 크게 증가합니다.

왜 그럴까요?

각 분자는 점점 커지고 더 많은 전자를 포함하게 됩니다. 전자 구름의 분극성도 커집니다. 즉, 전자 분포가 더 쉽게 변형될 수 있다는 뜻입니다.

그 결과 순간적인 쌍극자가 더 강하게 형성되고, 이웃한 분자 사이의 런던 분산력도 더 강해집니다.

따라서 분자들을 서로 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

그러므로 동일한 \(25^\circ\text{C}\)에서:

• 열에너지는 \(\ce{Cl2}\) 분자들이 서로 떨어져 기체로 존재하기에 충분합니다
• \(\ce{Br2}\) 분자들은 서로 가까이 있지만 이동할 수 있어 액체로 존재합니다
• \(\ce{I2}\) 분자 사이의 인력은 아이오딘이 고체 상태를 유지할 만큼 강합니다

풀이 예시: 브로민은 왜 액체인가?

플루오린과 염소는 \(25^\circ\text{C}\)에서 기체이고, 아이오딘은 고체입니다. 17족에서 염소와 아이오딘 사이에 있는 브로민이 실온에서 액체인 이유를 설명하세요.

1단계: 관련된 입자를 확인합니다.

원소 상태의 브로민은 \(\ce{Br2}\) 분자로 존재합니다. 따라서 \(\ce{Br2}\) 분자 사이의 힘을 생각해야 합니다.

2단계: 족을 따라 내려가는 경향을 이용합니다.

\(\ce{Br2}\) 분자는 \(\ce{Cl2}\)보다 전자가 더 많고, 더 크며 분극성이 더 큰 전자 구름을 가집니다. 따라서 런던 분산력이 더 강합니다.

하지만 이 힘은 더 큰 \(\ce{I2}\) 분자 사이에 작용하는 힘만큼 강하지는 않습니다.

3단계: 실온을 상변화 온도와 비교합니다.

브로민은 약 \(-7^\circ\text{C}\)에서 녹고 약 \(59^\circ\text{C}\)에서 끓습니다.

\(25^\circ\text{C}\)에서,

\[
-7^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<59^\circ\text{C}
\]

이므로 브로민은 액체여야 합니다.

4단계: 결과를 해석합니다.

브로민의 분자 간 인력은 실온에서 분자들이 넓게 퍼져 기체가 되는 것을 막을 만큼 강하지만, 고체 구조 안에 고정시킬 만큼 강하지는 않습니다.

07분자 내부의 결합을 원인으로 잘못 지목하지 말자

흔히 다음과 같은 설명을 볼 수 있습니다.

아이오딘이 고체인 이유는 \(\ce{I-I}\) 공유 결합이 \(\ce{Cl-Cl}\) 결합보다 더 강하기 때문이다.

이것은 물질의 상태 경향을 설명하는 올바른 설명이 아닙니다.

아이오딘을 녹일 때 모든 \(\ce{I-I}\) 결합을 끊을 필요는 없습니다. \(\ce{I2}\) 분자는 여전히 \(\ce{I2}\)로 남아 있습니다.

중요한 변화는 분자들이 서로 지나쳐 움직일 수 있을 만큼 충분한 에너지를 얻는다는 것입니다. 우리는 분자를 아이오딘 원자로 분해하는 것이 아니라 분자 간 인력을 극복하고 있습니다.

시험에서는 다음과 같이 질문하는 습관이 유용합니다.

나는 분자들을 서로 분리하고 있는가, 아니면 한 분자 안에서 원자들을 서로 떼어 내고 있는가?

단순 분자 물질의 녹음과 끓음에서는 대개 첫 번째 경우입니다.

08산소와 황은 족의 위치만으로는 충분하지 않음을 보여 준다

산소와 황은 모두 16족입니다.

따라서 비슷한 상태를 가질 것이라고 예상할 수 있습니다. 하지만 산소는 실온에서 기체이고 황은 고체입니다.

그 이유 중 하나는 크기이지만, 또 하나의 중요한 점이 있습니다. 두 원소가 이루는 원소 분자의 크기가 같지 않습니다.

산소는 일반적으로 작은 \(\ce{O2}\) 분자로 존재합니다. 실온에서 보통의 원소 황은 훨씬 큰 \(\ce{S8}\) 분자를 포함합니다.

\(\ce{S8}\) 분자는 훨씬 더 많은 전자와 훨씬 큰 전자 구름을 가집니다. 따라서 런던 분산력이 훨씬 강합니다.

풀이 예시: 산소는 기체이지만 황은 고체이다

산소와 황이 같은 족에 속하는데도 실온에서 서로 다른 상태를 가지는 이유를 설명하세요.

1단계: 입자를 확인합니다.

산소는 \(\ce{O2}\) 분자로 존재합니다. 일반적인 고체 황은 \(\ce{S8}\) 분자를 포함합니다.

2단계: 전자 구름을 비교합니다.

\(\ce{S8}\) 분자는 \(\ce{O2}\) 분자보다 훨씬 크며 훨씬 더 많은 전자를 포함합니다.

따라서 전자 구름의 분극성이 더 큽니다.

3단계: 이를 분자 간 힘과 연결합니다.

분극성이 더 크면 \(\ce{O2}\) 분자 사이보다 \(\ce{S8}\) 분자 사이에서 더 강한 런던 분산력이 나타납니다.

따라서 황 분자들을 서로 분리하려면 더 많은 열에너지가 필요합니다.

4단계: 힘을 관찰되는 상태와 연결합니다.

실온에서 \(\ce{O2}\) 분자 사이의 약한 인력 때문에 산소는 기체로 존재할 수 있습니다. 반면 \(\ce{S8}\) 분자 사이의 더 강한 인력은 황이 고체로 남는 데 기여합니다.

여기서 얻을 수 있는 교훈은 산소와 황에만 해당하지 않습니다. 주기율표상의 위치는 구조와 입자 크기를 추론하는 데 도움을 주기 때문에 유용합니다. 위치 자체가 물질의 상태를 직접 결정하는 것은 아닙니다.

09비활성 기체: 원자는 더 커지지만 여전히 기체이다

18족에서도 뚜렷한 경향을 볼 수 있습니다.

비활성 기체는 분자가 아니라 개별 원자로 존재합니다. 이 원자들 사이의 주된 인력은 런던 분산력입니다.

헬륨에서 제논과 라돈 쪽으로 족을 따라 내려가면:

• 원자가 더 커집니다
• 더 많은 전자를 포함합니다
• 전자 구름의 분극성이 더 커집니다
• 분산력이 더 강해집니다
• 끓는점이 높아집니다

그렇다면 제논은 실온에서 고체여야 할까요?

아닙니다.

제논의 끓는점은 헬륨이나 네온보다 높아졌지만, 여전히 \(25^\circ\text{C}\)보다 훨씬 낮습니다. 따라서 실온은 여전히 제논이 기체로 존재하기에 충분히 높은 온도입니다.

이것은 중요한 주의점입니다. 어떤 성질이 족을 따라 내려갈수록 증가하더라도, 기체와 액체 사이 또는 액체와 고체 사이의 경계를 넘어설 만큼 충분히 증가하지 않을 수 있습니다.

10주기를 따라가면 패턴은 매끄럽지 않다

왼쪽에서 오른쪽으로 적용되는 하나의 단순한 규칙을 찾고 싶을 수 있습니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

주기를 따라 원자 반지름이 감소하므로, 원소의 상태도 고체에서 액체, 기체로 점진적으로 변해야 한다.

하지만 이 설명은 실패합니다. 주기를 따라가면서 구조의 종류 자체가 변하기 때문입니다.

3주기의 몇몇 원소를 살펴봅시다.

• 나트륨, 마그네슘, 알루미늄은 금속 구조를 가지며 고체입니다
• 규소는 거대 공유 결합 구조를 가지며 고체입니다
• 인과 황은 실온에서 분자성 고체를 형성합니다
• 염소는 작은 \(\ce{Cl2}\) 분자를 형성하며 기체입니다
• 아르곤은 단원자 물질이며 기체입니다

무슨 일이 일어났는지 주목해 보세요. 같은 종류의 입자가 단순히 점점 작아진 것이 아닙니다.

금속 격자에서 거대 공유 결합 구조로, 다시 분자 물질로, 마지막에는 개별 원자로 바뀌었습니다.

이러한 구조 변화는 매우 큰 영향을 미칩니다.

따라서 “오른쪽으로 세 칸 가면 상태가 고체에서 기체로 바뀐다”와 같은 믿을 만한 규칙은 없습니다. 각 원소가 어떤 종류의 물질을 형성하는지 확인해야 합니다.

11거대 공유 결합 구조는 또 다르다

탄소와 규소는 작은 분자로 존재하는 비금속과 비교할 수 있는 또 다른 유용한 사례입니다.

다이아몬드에서 각 탄소 원자는 거대한 3차원 그물 구조 안에서 공유 결합으로 연결되어 있습니다. 규소도 거대 공유 결합 구조를 형성합니다.

서로 떨어진 \(\ce{C}\) 분자나 \(\ce{Si}\) 분자가 있어서 단순히 서로 멀어질 수 있는 것이 아닙니다.

거대 공유 결합 물질을 녹이려면 연속적인 구조 안에 있는 많은 강한 공유 결합을 극복해야 합니다. 여기에는 많은 양의 에너지가 필요합니다.

따라서 이러한 물질들은 실온에서 고체입니다.

이것이 “비금속은 기체다”라는 규칙이 전혀 통하지 않는 이유입니다. 어떤 비금속은 기체이고, 어떤 것은 분자성 고체이며, 탄소는 거대 공유 결합 고체를 형성할 수 있습니다.

구조가 중요합니다.

12주기율표의 색을 외우는 것보다 더 나은 판단 방법

주기율표상의 위치를 이용해 원소가 어떤 상태일지 설명하라는 문제를 받으면 다음 질문들을 순서대로 생각해 보세요.

1. 금속인가, 비금속인가, 아니면 거대 공유 결합 구조를 형성할 가능성이 있는 원소인가?
   대부분의 금속과 거대 공유 결합 원소는 실온에서 고체입니다.

2. 분자성 원소라면 분자의 크기는 얼마나 큰가?
   전자 구름이 클수록 일반적으로 분극성이 더 크고 분산력도 더 강합니다.

3. 서로 비슷한 구조를 비교하고 있는가?
   크기에 따른 경향은 할로젠이나 비활성 기체처럼 같은 계열 내에서 특히 유용합니다. 한 물질이 거대 공유 결합 그물 구조이고 다른 물질이 개별 원자로 이루어져 있다면 훨씬 덜 유용합니다.

4. 녹는점과 끓는점이 주어졌다면 그것을 이용하라.
   실제 데이터를 외워 둔 경향으로 대신하지 마세요.

5. 조건을 일정하게 유지하라.
   실온에서의 상태는 특정 온도와 압력에서의 상태를 말하는 것이지, 원소가 영원히 갖는 성질이 아닙니다.

13기억해 둘 가장 유용한 패턴

대부분의 HSC 문제를 풀기 위해 118개 원소의 상태를 각각 외울 필요는 없습니다.

다음 패턴을 기억해 두세요.

• 대부분의 원소는 실온에서 고체입니다
• 대부분의 금속은 고체이며, 수은이 익숙한 액체 예외입니다
• 수소는 1족 위에 위치하지만 기체입니다
• 질소, 산소, 플루오린, 염소는 기체입니다
• 비활성 기체는 실온에서 기체입니다
• 브로민은 실온에서 액체입니다
• 비슷한 분자성 또는 단원자 물질에서 족을 따라 내려갈수록 크기와 분극성이 증가해 런던 분산력이 강해지는 경우가 많습니다
• 입자 사이의 인력이 강할수록 일반적으로 녹는점과 끓는점이 높아집니다
• 주기를 따라가면 구조가 변하므로 물질의 상태에 대해 하나의 매끄러운 규칙을 적용할 수 없습니다

가장 중요한 것은 주기율표를 색으로 구분된 암기표처럼 다루는 대신, 구조와 인력을 통해 패턴을 설명하는 것입니다.

14문제와 해설

문제 1

어떤 원소의 대기압에서의 녹는점은 \(-12^\circ\text{C}\)이고 끓는점은 \(47^\circ\text{C}\)입니다.

\(25^\circ\text{C}\)에서 이 원소의 상태는 무엇인가요? 그 이유를 설명하세요.

해설 1

이 원소는 \(25^\circ\text{C}\)에서 액체입니다.

녹는점이 실온보다 낮으므로 이미 녹아 있습니다. 끓는점은 실온보다 높으므로 아직 끓지 않았습니다.

관련된 비교는 다음과 같습니다.

\[
-12^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<47^\circ\text{C}.
\]

\(25^\circ\text{C}\)가 녹는점과 끓는점 사이에 있기 때문에, 이 조건에서 안정한 상태는 액체입니다.

중요한 원리는 상태가 상변화 온도와 비교한 현재 온도에 의해 결정된다는 것입니다. 원소에 “고체”, “액체”, “기체”라는 이름을 영구적으로 붙이는 것으로 결정되는 것이 아닙니다.

문제 2

염소는 실온에서 기체이고, 아이오딘은 고체입니다.

한 학생은 그 차이를 다음과 같이 설명했습니다. “\(\ce{I-I}\) 공유 결합이 더 강하기 때문에 아이오딘 분자는 서로 분리될 수 없다.”

이 설명의 문제점을 찾아 더 나은 설명을 제시하세요.

해설 2

이 설명은 잘못된 상호작용에 초점을 맞추고 있습니다. 실온에서의 상태는 각 분자 내부의 공유 결합을 끊는 것보다 주로 분자 사이에 작용하는 힘에 의해 결정됩니다.

염소는 \(\ce{Cl2}\)로 존재하고, 아이오딘은 \(\ce{I2}\)로 존재합니다.

염소가 끓거나 아이오딘이 녹을 때 이원자 분자들이 보통 개별 원자로 분해되는 것은 아닙니다. \(\ce{Cl-Cl}\) 또는 \(\ce{I-I}\) 공유 결합은 그대로 유지됩니다.

그 대신 분자들이 이웃한 분자들로부터 서로 분리됩니다.

\(\ce{I2}\) 분자는 \(\ce{Cl2}\)보다 전자가 더 많고 더 크며 분극성이 더 큰 전자 구름을 가집니다. 이 때문에 \(\ce{I2}\) 분자 사이에는 더 강한 런던 분산력이 생깁니다.

따라서 아이오딘은 녹는점과 끓는점이 훨씬 높습니다. \(25^\circ\text{C}\)에서 아이오딘은 고체로 남지만, 염소는 이미 끓는점보다 훨씬 높은 온도에 있으므로 기체입니다.

여기서 빠지기 쉬운 함정은 분자 내 공유 결합과 분자 간 힘을 혼동하는 것입니다.

문제 3

한 학생이 3주기에 대해 다음과 같이 예측했습니다.

“원자 반지름은 일반적으로 왼쪽에서 오른쪽으로 감소하므로, 원소의 상태는 고체에서 액체, 기체로 매끄럽게 변해야 한다.”

이 예측이 신뢰하기 어려운 이유를 설명하세요. 이 주기에서 나타나는 서로 다른 원소 구조를 적어도 세 종류 언급하세요.

해설 3

3주기를 따라 구조의 종류가 변하기 때문에 이 예측은 신뢰하기 어렵습니다. 따라서 원자 크기만으로 상태를 결정할 수 없습니다.

주기의 왼쪽에서 나트륨, 마그네슘, 알루미늄은 거대 금속 구조를 형성합니다. 금속 결합은 격자 전체에 걸쳐 이어지며, 세 원소 모두 실온에서 고체입니다.

규소는 거대 공유 결합 구조를 형성합니다. 강한 공유 결합이 그물 구조 전체에 걸쳐 이어져 있으므로 규소 역시 고체입니다.

더 오른쪽에 있는 인, 황, 염소는 분자 물질을 형성합니다. 이들의 물리적 상태는 분자 사이의 분자 간 힘에 크게 의존합니다. 염소는 비교적 약한 분산력을 가진 작은 \(\ce{Cl2}\) 분자로 이루어져 있어 실온에서 기체입니다.

아르곤은 개별 원자로 이루어져 있고, 원자 사이에는 약한 분산력만 작용하므로 역시 기체입니다.

이 학생의 실수는 주기를 따라 오직 하나의 변수만 변한다고 가정한 것입니다. 실제로는 결합과 구조도 함께 변하며, 이러한 변화는 원자 반지름만의 변화보다 녹는점과 끓는점에 더 큰 영향을 줄 수 있습니다.

문제 4

다음은 세 가지 할로젠에 대한 대략적인 데이터입니다.

\(70^\circ\text{C}\)에서 각 원소의 상태를 결정하세요.

한 학생은 브로민이 더 이상 액체가 아니라는 사실을 보고 17족의 일반적인 상태 경향이 “더 이상 작동하지 않는다”고 주장합니다. 이 결론의 문제점을 설명하세요.

해설 4

\(70^\circ\text{C}\)에서 염소는 기체, 브로민은 기체, 아이오딘은 고체입니다. 이것은 주기적 경향과 모순되지 않습니다.

염소의 경우,

\[
70^\circ\text{C}>-34^\circ\text{C},
\]

이므로 온도가 끓는점보다 높습니다. 따라서 염소는 기체입니다.

브로민의 경우,

\[
70^\circ\text{C}>59^\circ\text{C},
\]

이므로 브로민 역시 끓는점보다 높은 온도에 있으며 기체입니다.

아이오딘의 경우,

\[
70^\circ\text{C}<114^\circ\text{C},
\]

이므로 아이오딘은 여전히 녹는점보다 낮은 온도에 있어 고체로 남습니다.

17족의 경향이 사라진 것은 아닙니다. 분자 간 분산력이 족을 따라 아래로 내려갈수록 강해지기 때문에 염소에서 브로민, 아이오딘으로 갈수록 녹는점과 끓는점은 여전히 크게 증가합니다.

달라진 것은 관찰 온도입니다.

\(25^\circ\text{C}\)에서 브로민은 녹는점과 끓는점 사이에 있으므로 액체입니다. \(70^\circ\text{C}\)에서는 같은 물질이 끓는점보다 높은 온도에 있으므로 기체입니다.

여기서 빠지기 쉬운 함정은 “실온에서의 상태”를 어떤 원소가 모든 온도에서 계속 유지해야 하는 고유한 상태처럼 취급하는 것입니다.

문제 5

제논 원자는 규소 원자보다 훨씬 무겁고 더 많은 전자를 포함합니다.

그래서 한 학생은 “전자가 많을수록 분산력이 더 강하다”는 이유로 제논은 실온에서 고체이고 규소는 기체일 것이라고 예측했습니다.

단순히 외워 둔 상태에만 의존하지 말고, 이 예측이 실패하는 이유를 설명하세요.

해설 5

규소는 실온에서 고체이고 제논은 기체입니다. 이 학생의 규칙이 실패하는 이유는 두 원소의 구조가 완전히 다르기 때문입니다.

전자 수에 관한 설명에는 유용한 아이디어가 들어 있습니다. 서로 비교할 수 있는 비슷한 계열에서는 전자 구름이 더 크고 분극성이 더 클수록 더 강한 런던 분산력이 나타날 수 있습니다.

예를 들어 이러한 추론은 제논의 끓는점이 네온과 같은 더 가벼운 비활성 기체보다 높은 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

하지만 규소는 서로 떨어진 규소 입자 사이의 런던 분산력에 의해 주로 유지되는 물질이 아닙니다.

규소는 거대 공유 결합 그물 구조를 형성합니다. 각 원자는 구조 전체에 걸쳐 이어지는 강한 공유 결합을 통해 다른 원자들과 연결되어 있습니다. 따라서 규소를 녹이려면 많은 강한 공유 결합을 깨뜨릴 만큼 충분한 에너지가 필요합니다.

제논은 서로 떨어진 개별 원자로 이루어져 있습니다. 이 원자 사이에 작용하는 인력은 런던 분산력입니다. 이 힘은 18족에서 아래로 내려갈수록 강해지지만, 제논의 끓는점은 여전히 실온보다 낮을 정도로 충분히 약합니다.

이 학생이 숨겨서 가정한 것은 서로 완전히 다른 결합을 가진 물질들 사이에서도 “전자 수가 더 많다”는 기준을 직접 비교할 수 있다는 점이었습니다.

더 안전한 추론 순서는 다음과 같습니다.

먼저 구조를 확인하고, 그다음 중요한 인력을 확인한 뒤, 서로 비교할 수 있는 구조 안에서 크기와 분극성의 경향을 이용하세요.

15이 개념은 다음 단계로 이어진다

물질의 상태에 관한 경향은 사실 더 큰 HSC 화학 능력을 배우기 위한 출발점입니다. 바로 구조, 결합, 분자 간 힘을 측정 가능한 물리적 성질과 연결하는 능력입니다.

염소, 브로민, 아이오딘이 서로 다른 상태를 가지는 이유를 설명할 수 있게 되면, 다음 단계는 이들의 실제 녹는점과 끓는점 경향을 설명하는 것입니다. 같은 추론은 더 넓은 범위의 분자 물질에도 적용되어, 어떤 화합물은 휘발성 기체이고 어떤 화합물은 액체이며 또 다른 화합물은 녹는점이 높은 고체를 형성하는 이유를 설명하는 데 이어집니다.