원자 오비탈의 전자 배치 순서의 예외, 크롬(Cr)과 구리(Cu) ★

원자 오비탈의 전자 배치 순서의 예외, 크롬(Cr)과 구리(Cu)

( 원자번호 24번 크롬, 원자번호 29번 구리 )

 

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▶ 참고: 제6장 원자의 전자 구조. 목차

[ https://ywpop.tistory.com/15222 ]

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▶ (n+l) 규칙

> 일반적으로 원자 오비탈에 전자가 채워질 때는

(n+l) 규칙에 따라 전자가 채워진다.

( 참고: (n+l) 규칙 https://ywpop.tistory.com/2841 )

 

그러나 크롬 원자와 구리 원자에서 예외 현상이 발견된다.

 

 

 

[표] 4주기 전이금속의 원자가전자

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2959 ] 왜 전이금속은 다양한 산화수를 가질까?

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2866 ] 원자가전자 결정하기

 

 

 

> 원자번호 21번 Sc의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^1

> 원자번호 22번 Ti의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^2

> 원자번호 23번 V의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^3

> 원자번호 24번 Cr의 전자배치: [Ar] 4s^1 3d^5

> 원자번호 25번 Mn의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^5

> 원자번호 26번 Fe의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^6

> 원자번호 27번 Co의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^7

> 원자번호 28번 Ni의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^8

> 원자번호 29번 Cu의 전자배치: [Ar] 4s^1 3d^10

> 원자번호 30번 Zn의 전자배치: [Ar] 4s^2 3d^10

 

 

 

 

▶ 크롬 원자의 바닥상태 전자배치

 

 

> (n+l) 규칙에 따르면,

4s 오비탈에 2개 전자, 3d 오비탈에 4개 전자가 배치되어야 한다.

 

> 그러나 실제는 4s 오비탈에 있던 전자 1개가 3d 오비탈로 전이하여,

3d 오비탈에 총 5개 전자가 배치된다.

( Cr 원자의 홀전자 개수 = 6개 )

 

 

 

 

▶ 구리 원자의 바닥상태 전자배치

 

 

> (n+l) 규칙에 따르면,

4s 오비탈에 2개 전자, 3d 오비탈에 9개 전자가 배치되어야 한다.

 

> 그러나 실제는 4s 오비탈에 있던 전자 1개가 3d 오비탈로 전이하여,

3d 오비탈에 총 10개 전자가 배치된다.

( Cu 원자의 홀전자 개수 = 1개 )

 

 

 

 

▶ Cr 원자와 Cu 원자가

(n+l) 규칙을 따르지 않는 이유를 간단히 설명하면,

d 오비탈에 전자가 절반 혹은 완전히 채워지는 것이,

원자 오비탈의 에너지 준위가 더 안정하기 때문이다.

 

즉, d 오비탈에 전자가 절반 혹은 완전히 채워지는 전자배치를

전자들이 더 선호한다는 것이다.

 

( 라고 현재 과학자들이 이렇게 설명하고 있다.

알려진 모든 원자의 바닥상태 전자배치는

‘원자 분광법’에 의해 실험적으로 결정된 것이며,

이 실험 결과를 놓고, 이렇게 설명하고 있다는 것이다. )

 

 

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[크롬과 구리] 전자가 채워지는 순서 ≠ 전자를 잃는 순서

 

▶ 전자가 이온화될 때는

주양자수가 가장 큰 오비탈의 전자부터 이온화된다.

 

 

▶ 이온화될 때는 다른 원자들처럼

주양자수, n이 높은 오비탈에 있는 전자부터 잃는다.

 

 

 

> Cu^+ 이온의 전자배치: [Ar] 3d^10

 

 

▶ 그 이유는 3d 전자의 유효 핵전하가 훨씬 더 크기 때문이다.

이 때문에 이온화할 때는 4s 전자가 먼저 떨어져나간다.

( 참고: 유효핵전하 https://ywpop.tistory.com/2526 )

 

 

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(n+l) 규칙에 따른 오비탈의 에너지 준위가

3d보다 4s가 더 낮기 때문에 (더 안정하기 때문에)

4s 오비탈부터 전자가 먼저 채워진다.

 

그러나 4s 오비탈의 주양자수가 더 크기 때문에,

( 전자가 채워지는 순서와 상관없이 )

가장 바깥에 있는 전자껍질에 속하는 오비탈은 4s이다.

 

전자가 이온화될 때 4s 전자부터 이온화되는 이유는

바로 이것 때문이다.

---> 가장 바깥 껍질의 전자부터 이온화된다.

 

 

 

 

[참고] 안타깝지만, 쌓음 원리(Aufbau principle)는

전자-전자 상호작용을 고려하지 않았기 때문에

모든 원자의 전자배치를 예측(설명)할 수 없다.

 

오비탈의 에너지 준위는 전자-전자 상호작용

(spin-orbit interaction 또는 spin-orbit coupling 포함) 을 고려한

양자역학적 계산을 통해 결정(설명)할 수 있다(결정해야 된다).

 

따라서 Nb, Mo와 같은 5주기 전이금속의 전자배치를

단순하게 설명할 수 있는 방법은 없다.

 

 

 

 

 

[그림] 4주기 전이금속의 원자가전자.

 

 

 

 

[그림] 5주기 전이금속의 원자가전자.

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/5218 ] 4s 3d 순서? 3d 4s 순서?

 

 

 

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