[원자 구조] 원자 반지름의 측정 방법

원자 반지름의 측정방법

원자 반지름(Atomic radius)의 정의는?

 

원자 반지름은 원자의 크기를 나타내는 개념입니다. 원자 반지름은 원자핵에서 원자핵 주위에 존재하는 전자까지의 거리를 측정하면 구할 수 있다고 생각할 수 있습니다. 하지만 원자 주위를 도는 전자의 경우 물리적으로 정해진 궤도를 돌지 않기 때문에 사실상 원자 반지름을 직접 측정한다는 것은 불가능합니다. 따라서 원자 하나의 반지름을 직접 측정하기보다는 어딘가에 '결합'되어있는 상태(ex. 분자)의 원자 반지름을 측정하는 방법을 사용합니다.

 

원자 반지름을 측정하는 방법과 종류

 

Heisenberg의 불확정성 원리에 따르면, 전자의 운동량과 전자의 위치를 ​​동시에 측정하는 것은 불가능합니다. 따라서 전자의 위치나 궤도를 명확히 정의할 수 없으며 전자의 분포 확률이 아닌 물리적 의미의 원자 반지름을 측정할 수 없습니다. 이를 해결하기 위해 일반적으로는 원자가 분자에 결합되어있을 때 두 핵 사이의 거리를 이용하여 원자의 반지름을 정의합니다. 아래에는 원자 반지름의 종류와 그 의미에 대해 설명드리겠습니다.

 

공유결합 반지름 Covalent Radius

 

공유결합 반지름은 한 원자가 동일한 원자와 공유결합을 이룬 상황에서 계산된 반지름입니다. 특정 원자(A)가 다른 동핵 원자(A')와 공유결합을 이룰 때 A 원자의 원자반지름은 두 원자핵 사이의 물리적 거리를 측정하여 계산할 수 있다. 즉, A 원자의 지름은 두 A의 원자핵 사이의 거리와 같기 때문에 A원자의 반지름은 그 절반이라 할 수 있습니다.

공유결합 반지름의 개념

 

금속결합 반지름 Metallic Radius

 

금속결합 반지름은 금속결합을 이루는 원자 사이에서 두 원자핵 사이의 거리를 이용하여 계산할 수 있습니다. 마찬가지로 금속결합 반지름은 두 원자핵 사이의 거리와 같고 반지름은 이의 절반입니다.

 

금속결합 반지름과 공유결합 반지름, 이온결합 반지름의 비교

 

이온결합 반지름 Ionic Radius

 

이온결합 반지름은 한 원자가 다른 원자에게 전자를 완전히 제공하며 결합을 이루는 이온결합을 형성할때 계산할 수 있습니다. 여기서 두 이온의 반경은 서로 같지 않으며 이온결합 반지름을 계산하기 위해서는 몇가지를 고려해야 합니다.

 

▷ 각기 다른 원소의 원자는 전자와 양성자, 원자 오비탈 등이 달라야합니다.

 

▷ 이온결합 반경은 원자의 이온 상태 때문에 다릅니다. 원자가 전자를 잃거나 얻는 경우 양이온 또는 음이온이 될 수 있습니다.

 

▷ 원자가 전자를 잃으면 핵은 나머지 전자들을 핵쪽으로 더 세게 끌어 당깁니다. 따라서 이온결합 반지름은 중성 상태의 원자 반지름보다 더 작을 수 있습니다.

 

▷ 위와 같은 이유로 음이온은 원래 중성 상태 원자의 반지름보다 전자들간의 반발력으로 더 큰 반지름을 가질 수 있습니다.

 

반 데르 발스 반지름 Van der waals Radius

 

반 데르 발스 반지름은 결합되지 않은 두 원자 사이의 정전기력이 균형을 이룰 때 두 원자 사이의 거리의 절반과 같습니다. 다시 말하면, 결합되지 않거나 동일한 분자 내에있는 두 원자 사이의 가장 가까운 거리의 절반입니다. 공유결합을 이루지 않는 비활성 기체의 원자 반지름을 정의할 때 사용됩니다. 일반적으로 반 데르 발스 반지름은 전자구름에 의한 반발력에 의해 공유결합 반지름보다 큽니다.

 

반 데르 발스 반지름은 분자간(예를 들어, 쌍극자-쌍극자 힘)의 상호작용을 반영한 반 데르 발스 힘과 관련이있습니다. 반 데르 발스 반지름은 원자가 고체로 될 때 각 원자들이 어떻게 적층되는지 예측하는데 유용하게 사용됩니다.

공유결합 반지름과 반 데르 발스 반지름의 차이

원자 반지름과 주기율표

 

주기율표를 보면 원자 반지름은 오른쪽으로 가면 작아지고 아래로 내려오면 증가하는 것을 알 수 있습니다.

 

주기율표 상으로 확인되는 원자 반지름의 경향성

같은 주기에서 원자 반지름

 

같은 주기에서 원자번호가 증가(왼쪽에서 오른쪽으로 이동)하면 양성자 및 전자의 수가 증가하는 반면에 전자껍질은 동일하게 유지됩니다. 따라서 핵은 더 많은 전자를 끌어당길 수 있기 때문에 원자 반지름은 감소합니다. (유효핵전하)

 

같은 족에서 원자 반지름

 

같은 족에서 주기가 증가(위에서 아래로 이동)하면 전자껍질의 수가 많아집니다. 따라서 원자 반지름이 커지게 됩니다.

 

예외

 

전이금속과 같이 내부 전자껍질에 전자가 추가되는 경우 원자핵은 증가하는 전자를 더 끌어당겨 원자 반지름이 더 작아집니다.

원자반지름의 실험적 측정법

 
최근 발달된 컴퓨터의 성능으로 인해 원자 반지름의 경우 간단한 계산화학 프로그램으로도 쉽게 계산할 수 있습니다. 하지만 계산을 이용한 이론적 방법 뿐 아니라 실험적으로도 원자 반지름의 측정이 가능합니다. 다만 실험적 측정법은 그 물질의 상태에 따라 다르며 실제 원자의 크기를 측정하는 것이 아니라 결합길이를 통한 원자 반지름의 측정이라는 것을 염두에 두어야 합니다.

만약 측정하고자 하는 물질이 고체라면 X선 회절법(X-ray diffraction)을 이용해 결합길이를 측정하고 이를 원자반지름으로 환산할 수 있습니다. 만약 측정하고자 하는 물질이 기체라면 마이크로파 분광법(Microwave spectroscopy)를 이용해 원자 반지름을 구할 수 있습니다.

 

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원자 반지름 표