13. Periodicity(HL)4

강의 대본

자 이번에는 Transition Metal에 대한 부분과 Coordination Number에 대한 부분으로서 HL 부분에 해당이 되는 First Row D Block Element에 대한 내용을 공부해 보도록 하겠습니다. 우선 Periodic 테이블에서 보면 이 Transition Metal에 해당이 되는 부분이 이 그룹 3에서부터 이제 그룹 12로 이렇게 일반적으로 표현이 되어 있어요. 교재에 따라서 이제 트랜지션 메탈에 대한 범주를 3에서 12로 이렇게 잡고 있습니다 그런데 이제 엄밀한 의미에서의 그룹 12에 해당되는 부분 같은 경우에는 트랜지션 메탈의 어떤 일반적인 성향에서 좀 벗어나고 있는 그런 특징들이 또 있습니다 이 트랜지션 메탈에 대한 정의라고 하면 이 부분적으로 채워져 있는 D Sub-shell에 해당이 되는 것들이 있을 때 우리가 Transition Metal이라고 얘기를 하는데 Zinc 같은 경우에는 전부다 Sub-shell이 다 완벽하게 채워져 있기 때문에 그러한 성향에서 좀 벗어난다는 것을 볼 수가 있죠 일단 Transition Metal이라고 하는 것은 어떤 원소인가 하면 부분적으로 전자가 채워져 있는 그런 D 또는 F 궤도 함수들을 원자가 궤도가 가지고 있는 그런 원소다 라고 볼 수가 있어요 그래서 D 구역 금속 D Block Metal 같은 경우에 부분적으로 전자가 채워진 D Orbital을 가지고 있다 F Block Metal은 부분적으로 전자가 채워져 있는 F 오비탈 함수를 가지고 있다 이런 경우에 우리가 Transition Metal이라고 얘기를 합니다 그래서 전이원소의 원자는 부분적으로 전자가 채워져 있는 D 서브쉘을 가지고 있거나 또는 이 부분적으로 채워진 이러한 서브쉘을 가지고 있는 양이온을 형성하는 원자에 해당이 된다 이런 의미에서 엄밀하게 12족 원소들에 해당이 되는 Zinc라든지 Cadmium이라든지 수은 같은 경우에는 전이 원소에서 조금 벗어나는 그런 경향을 본다라고 볼 수가 있습니다. 일반적으로 Atomic Radius에 해당이 되는 4주기에 해당이 되는 부분을 볼게요 그러면 칼륨 칼슘에 해당이 되는 부분은 이건 전이금속에서 왼쪽에 있는 그런 원소들 엘리먼트들인데 이런 경우에는 원자 반경이 안에 있는 핵전하량 19번이고 20번입니다 핵전하량이 커지게 되면서 급격하게 이렇게 감소하고 있는 그런 경향을 보이고 있어요 그게 이제 일반적인 그런 엘리먼트들의 주기적인 성향이었죠 그런데 지금 이 전이금속 Transition Metal 같은 경우에는 여기에서 일반적으로 Transition Metal 가운데 해당되는 이 부분 같은 경우에는 이렇게 감소하는 경향을 보이고는 있지만 전형 원소라고 하는 것에 비해서는 상당히 일정한 규칙성을 보여주고 있다고 볼 수가 있어요 상대적으로 이렇게 적게 감소하고 있는 Atomic 반경이 D블럭을 다 가로지르면서 이렇게 적게 감소하고 있는 그런 이유는 같은 그 주기에 있으면서 어떤 일반적인 전형 원소하고의 차이점이 전이금속 같은 경우에는 마지막 전자들이 더해지는 게 어디에서 더해지냐면 4S 바깥쪽에 있는 부분 안에 있는 내부에 있는 전자들 즉 D 오비탈에 있는 전자들이 채워지기 때문에 D 구역에 있는 트랜지션 엘리먼트의 D 일렉트론에 해당이 되는 것이다. 그리고 란타넘족이나 악티늄족 같은 경우에는 F 일렉트론에 해당이 되는 거죠. 그래서 내부에 있는 이너 일렉트론에 해당되는 D 또는 F 일렉트론 같은 경우 S나 P 원자가 전자들만큼 결합에 쉽게 참여를 할 수 없기 때문에 전체적으로 트랜지션 메탈의 엘리먼트들은 일반적으로 우리가 봤던 그런 전형적인 원소의 경우만큼 전자의 수에 크게 영향을 받지 않는다 라고 볼 수가 있습니다 그게 이제 전이금속 트랜지션 메탈의 큰 차이점이다 라고 볼 수가 있어요 이런 성향은 Ionization Energy 첫 번째 Ionization Energy 하고도 이렇게 볼 수가 있습니다 전형적인 원소 같은 경우에는 일반적으로 증가하고 있는 그래프 모형을 보이지만 Transition Element 같은 경우에는 일정한 First Ionization Energy를 보여주고 있죠 그리고 Atomic Radius 같은 경우에도 일반적으로 전형 원소는 급격하게 감소하는 핵전하량이 증가하면서 Nuclear Charge가 증가하면서 굉장히 감소하고 있는 그런 경향을 보이고 있는 반면에 이 트랜지션 메탈 같은 경우에는 상당히 일정한 그런 비교적 일정한 그런 모습을 보여주고 있다라는 것을 그래프 상에서도 우리가 확인할 수가 있습니다 자 일렉트론 컨피규레이션을 우리가 보면 먼저 크롬 그 다음에 망간, Fe, Co, 코발트, 구리, 커퍼에 대한 그 일렉트론 컨피규레이션을 보면 이 대괄호 안에는 우리가 그 아르곤의 전자 배치를 해 놨죠 그래서 1S2, 2S2, 2P6, 3S2, 3P6에 해당이 되는 18개의 전자 배치가 되어 있다 라고 보고 그 나머지에 해당이 되는 전자 배치를 한 거예요 자 그렇게 전자 배치를 했을 때 여기에서 눈에 띄는 것은 4s 오비탈의 전자가 하나가 있으면서 3d 오비탈의 전자가 5개가 있다는 거죠 s 오비탈이 있고 그 다음에 d 오비탈이 이렇게 있을 때 s 오비탈이 보통 2개가 채워지고 그 다음에 d 오비탈이 이렇게 채워지는데 여기에서는 4S의 오비탈 전자 하나가 채워지고 나머지 D오비탈의 전자가 이렇게 5개가 채워지는 모습을 볼 수 있습니다 보통 4S가 더 안정하기 때문에 3P6 다음에 4S2, 3D10까지 이렇게 채워지겠죠 그런데 지금 여기에서 4S2가 되고 3D4가 될 것으로 예측을 했는데 그게 아니라 4S1, 3D5에 해당이 되는 그런 전자 배치를 했다라는 거죠 그래서 이러한 것은 4s와 3d의 오비탈 함수의 에너지 값이 비슷하게 나타나고 있는데 4s2, 3d4로 우리가 예상을 했는데 실제 전자 배치가 4s1, 3d5예요 그래서 4s 궤도 함수와 3d 궤도 함수가 반만 채워져 있다 이런 식으로 반만 채워져 있는 쉘을 가지고 있을 때 특히 더 안정하다고 설명을 할 수가 있습니다 이제 망간 같은 경우에는 그 다음 번호이기 때문에 그 다음에는 이제 4s2에 전자가 채워지는 거죠 그리고 나서 이제 순서적으로 다시 3d6 3d7 3d8 뭐 이런식으로 채워지는데 여기 구리 커퍼에서도 4s2가 되고 3d가 9 전자가 채워질 것으로 예상했으나 사실상 이게 이렇게 전자가 D 오비탈에 다 채워졌다 라고 보는 거예요 커퍼 같은 경우에는 전자 배치가 4s2 3d9이 아니라 4s2 3d9가 아니라 4s1 3d10의 전자 배치를 하고 있다 그래서 크롬 같은 경우에는 반만 채워져 있는 그런 껍질 쉘이 더 안정하다 라는 설명을 우리가 해 볼 수가 있고 그리고 나서 이제 구리 같은 경우에도 우리가 예상했던 4s2 3d9이 아니라 4s1 3d10의 그런 구조를 전자배치를 보여주고 있다라고 이렇게 볼 수가 있습니다 그래서 전이금속 같은 경우에는 이 전자배치에 대한 부분들을 조금 더 이해를 해야 될 필요가 있고요 여기에서 또 이온이 됐을 경우들을 우리가 보면 먼저 4s에 대한 이온들이 먼저 떨어져 나가는 걸 볼 수 있어요 먼저 4s가 나가고 그 다음에 3D에서 전자가 하나씩 빠져나간다는 것을 볼 수가 있죠. 커퍼에서도 커퍼 전자 하나 떨어져 나갈 때는 4S1에 있는 전자가 떨어져 나간다. 그래서 전이금속 이온 같은 경우에는 3D 궤도함수가 4S 궤도함수보다도 더 에너지가 낮다. 궤도에 있는 것이 더 상대적으로 에너지가 낮다 라고 볼 수가 있습니다 그래서 중성적인 전이금속하고는 대조적으로 전이금속 이온의 경우에는 3D에 해당이 되는 궤도 함수의 에너지가 상대적으로 더 낮다 4S보다 그렇게 볼 수가 있고 그래서 이온이 형성되고 난 후에 남은 전자들은 에너지가 더 낮은 3D 궤도 함수에 들어간다 라고 볼 수가 있어요 그래서 망가니즈 전자배치 같은 경우에는 4s2 3d5에 해당이 되지만 이게 전자를 2개 잃었을 경우에는 4s2에 있는 전자배치가 전자가 빠져나가고 3d5만 남게 된다 라고 보는 겁니다 자 그래서 일반적인 그 전자배치를 우리가 보면 이제 공통적으로 아르곤에 대한 전자 배치를 이미 다 했다고 치고 그리고 이제 순서적으로 전자 배치를 하면 전자가 하나 들어가고 2개 들어가고 이때 이제 4S에 전자가 2개가 들어간 이후 D 오비탈에 전자가 하나 둘 세 개씩 들어가요 여기까지는 이제 우리가 예상할 수 있는 바죠 근데 우리가 하나 더 봐야 되는 것은 크롬의 전자 배치에서 이게 두 개가 아니라 여기서 이제 하나가 되고 그 다음에 D 오비탈의 전자가 하나 더 들어가 있는 그런 형태다 그리고 이제 다시 망간은 다시 원래 상태로 돼서 4S에 2가 들어가고 그 다음에 나머지 전자 배치가 들어가는 거고요 그 다음에 이제 커퍼에서도 우리가 보면 커퍼도 여기는 이제 일반적인 성향을 그대로 따라갑니다 하나씩 하나씩 늘어나죠 커퍼도 마찬가지로 4s 오비탈의 전자가 하나가 되고 d 오비탈이 다 채워지는 그런 형태로 전자 배치가 이루어진다 그리고 이제 징크 같은 경우에는 지금 보면 전체 전자가 다 채워져 있는 그런 형태를 볼 수가 있습니다 자 이제 Physical Properties를 우리가 보면 트랜지션 엘리먼트 같은 경우에는 이러한 몇 가지 물리적인 어떤 특성들을 우리가 볼 수 있는데 일반적으로 대부분의 메탈이 열이나 전기의 전도체가 된다 라고 보는 거죠 그래서 Electrical Thermal Conductivity를 가지고 있다 그리고 이제 멜팅 포인트가 높은 그런 편이고요 그 다음에 Malleable이라고 하는 것은 우리가 그 전성 연성에 해당이 되는 그런 부분이에요 그래서 이거를 충격을 주게 되면 잘 퍼지는 그런 성질들이 있다라는 거고 그 다음에 이 Tensile Strength 같은 경우에도 우리가 깨뜨리지 않고 이것을 이렇게 늘어뜨릴 수 있는 펼칠 수 있는 그런 능력이 있다라는 거죠 Ductile 같은 경우에는 잡아 늘릴 수 있는 그런 성향이 있다라는 겁니다 우리가 연성이라고 얘기를 해요 그 다음에 철이나 코발트나 니켈 같은 경우에는 Ferromagnetic이라고 해서 이 자기유도 작용이 센 그런 물질에 해당이 된다 그 강자성 물질이다라고 이제 보는 겁니다 이러한 Ferromagnetic 같은 경우에는 자기적인 성질이 있기 때문에 기억 저장 물질 같은 것들로 우리가 활용을 할 수가 있어요 그 다음에 이제 Chemical Properties 같은 것을 보면 여러가지 산화수가 다양하다는 것 그리고 우리가 앞에서 했던 그런 메인 그룹의 원소들에 비해서 이 Transition Metal 같은 경우에는 다양한 그런 산화수를 갖는 그런 특징들이 있습니다 여러가지 Complex Ion을 형성할 수 있는 그런 특징들이 있구요 또 하나는 그 색깔이 다양한 금속 화합물들이 전이금속 화합물들은 다양한 그런 색깔들을 보여줄 수가 있어요 그리고 이 대부분 이게 이제 촉매의 어떤 역할을 하는 것들이 많습니다 또 그 외에도 몇몇 전이금속 같은 경우에는 Superconductivity, 즉 초전도성에 대한 어떤 역할을 보여주고 많은 전이금속이나 전이금속 화합물들이 균일한 또는 불균일한 어떤 촉매들로 활용을 하고 있습니다. 스칸디움 같은 경우에는 전자배치를 보면 1S2, 2S2, 2P6, 3S2, 3P6 여기까지가 아르곤의 전자배치였고 4S2, 3D1이 들어가기 시작하는 거죠 Chromium 같은 경우 앞에서 전자배치를 봤지만 조심해야 되는 부분이 바로 4s1, 3d5였습니다. 순서대로 전자배치를 하다보면 4s2, 3d4로 만들 수가 있는데 이 경우에는 4s1, 3d5로 전자배치를 해주는 것이 더 안정하다 이렇게 보는 거고요. Manganese 같은 경우에는 다시 전자가 4s2가 채워지는 거죠. 커퍼 같은 경우에도 우리가 전자배치를 조심해야 된다 라고 했습니다 4S2 3D9이 아니라 4S1 3D10으로 전자배치를 해 줘야 됩니다 징크는 전자배치가 이제 다 채워져 있는 그런 형태다 이렇게 보면 되고요 자 이제 징크에 대한 얘기를 조금 해보겠습니다 우리가 Definition에 의해서 본다고 하면 이 징크라고 하는 것은 트랜지션 엘리먼트로 카운트를 하지 않는 것이 맞다 우리가 보통 트랜지션 엘리먼트 하면은 이제 어떻게 채워져 있는 그런 상태를 봐야 되는데 여기에서 이제 스칸듐 같은 경우도 이제 퀘스천이 되어 있죠 우리가 전이금속에 대한 정의를 할 때 그 트랜지션 메탈의 원자는 부분적으로 전자 채워진 D 서브쉘을 가지고 있거나 또는 이 서브쉘을 가진 양이온을 형성하는 원자다 라고 얘기를 했었는데 여기에서 Zinc 같은 경우에는 이게 부분적으로 채워진 게 아니라 지금 이렇게 Fully D Sub-shell에 다 채워져 있기 때문에 또 이러한 경우에는 또 전형적인 어떤 Transition Metal에 해당되는 그런 성격을 또 벗어나고 있기 때문에 Zinc에 해당되는 부분은 우리가 엄밀한 의미에서 Transition Metal이 아니다 라고 이제 보는 겁니다 또 Scandium 같은 경우에도 이제 포함하느냐 마느냐에 대한 그런 문제들이 있는데요 그 정의에 의해서 각 정의에 따라서 이제 부분적으로 채워진 전자는 있으나 그 이온에 해당이 되는 부분들을 우리가 봤을 경우에는 이렇게 d 오비탈에 해당이 되는 부분적인 채워진 그 d 오비탈의 전자가 없기 때문에 요렇게 채워지기도 하고 또는 아니기도 한 그런 애매한 상황에 있다라고 보는 거예요 Transition Element 같은 경우에는 모두 다 High Melting Point를 가지고 있고 Density를 가지고 있는 그런 특징들이 있었고 그 다음에 이제 산화수에 해당이 되는 부분들이 좀 특이했었죠 한 가지 이상의 산화수를 가지고 있는 그런 컴파운드나 컴플렉스가 많았다 라고 했고 트랜지션 엘리멘트는 컴플렉스 아이온을 많이 형성합니다 트랜지션 엘리멘트 같은 경우에는 컬러가 있다 라고 얘기를 했었죠 여러 가지 다양한 색의 컬러를 가지고 있는 그런 특징들이 있다 전이금속 같은 경우에는 그리고 자성에 대한 magnetic properties를 가지고 있는 그런 성향들이 있으며 여러 가지 카탈리스트로 촉매로서 활동을 한다 라고 했습니다 자 그 다음에 다양한 산화수를 가지고 있는 것이 전이금속의 특징 중의 하나입니다 전이금속에서의 그 산화수와 이러한 그 주기적인 경향성을 우리가 비교를 해보면 금속에 따라서 아주 특징적인 그런 산화수를 보여주고 있죠 여기에서 그 Outer Shell에 있는 s 전자와 d 전자의 이온결합이나 공유결합에 참여하는 산화수를 의미하는데 여기 최대 산화수에 해당되는 부분들이 Scandium 플러스 3에서 시작해서 Manganese 플러스 7까지 쭉 증가한 다음에 다시 이렇게 또 이렇게 감소하는 것을 볼 수가 있어요 그래서 그 산화수에 대한 경향이 주기에서 오른쪽 방향으로 가면서 이제 감소하는 경향을 보인다 라고 볼 수가 있습니다 그리고 또 하나는 공통적으로 산화수가 플러스 2에 해당이 되는 부분을 보여주고 있는데 그거는 4s의 서브쉘에 있는 전자 2개가 산화수에 해당되는 부분들을 볼 수가 있구요 전이금속에서 몇몇 산화수 즉 이렇게 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간으로 가면서 산화수가 이렇게 증가하다가 이제 다시 또 감소하는 그런 경향을 보이는데 그 이유는 예를 들어서 유효핵전하가 점차적으로 증가하게 되면서 전자들을 제거하기 위해서 높은 산화수를 얻는 것이 점점 더 어려워지기 때문에 이런 현상이 나타난다고 볼 수가 있습니다. 그래서 이제 하나 이상의 Oxidation Number를 가지고 있는 그런 전이금속의 어떤 특징들을 우리가 볼 수 있었고요 이 전이금속은 에너지가 비슷한 4s 오비탈과 3d 오비탈의 전자가 원자 안에 전자가 여러 개씩 이렇게 존재할 때 비슷한 에너지를 갖는 전자들이 많아지기 때문에 이 전이금속 같은 경우에는 전자를 하나를 잃거나 두 개를 잃거나 또는 그 이상을 잃어도 각 이온의 안정성에 대한 부분이 크게 차이가 나지 않습니다 그렇기 때문에 전자를 하나 제거하든 또 여러 개를 제거하든 비슷한 에너지로 제거할 수 있기 때문에 이렇게 다양한 그런 산화수 Oxidation Number를 가질 수가 있다 라고 보는 거예요 그렇기 때문에 Transition Metal은 다양한 그런 산화수를 갖게 된다 이렇게 정리를 할 수가 있습니다 또 Magnetic Properties를 가지고 있는 게 전이금속의 어떤 특징이다 라고 얘기를 했었죠 파라마그네티즘이라고 하는 것은 Unpaired Electron에 의해서 생성이 된다 우리가 상자기성이다 라는 그런 표현을 씁니다 Paramagnetic Substance 같은 경우에는 Magnetic Field에 의해서 서로 이렇게 끌어당기는 그런 Diamagnetism은 상자기성을 가지고 있지 않은 경우가 있습니다. 상자기성에 해당이 되는 부분으로써 그 용어에 대한 그 차이점을 좀 정리를 해 둬야 되겠습니다. 이 상자기성에 해당이 되는 부분은 이와 같은 쌍을 이루고 있지 않은 Unpaired Electron이 있는지를 보면 우리가 판단할 수가 있는 거예요. 자 그 다음에 그 착화합물에 대한 Complex Ion들에 대한 얘기를 우리가 좀 해보면 일단 여기서 리간드라는 얘기가 나옵니다 이 리간드라고 하는 것은 금속 메탈 이온과 결합을 형성할 수 있는데 사용할 수 있는 이런 Lone Pair Electron을 가지고 있는 중성분자 Neutral Molecule이나 또는 이온 Negative Ion에 해당이 되는 것은 모두 다 리간드가 될 수가 있어요 그러면 이런 식으로 금속과 그 다음에 리간드 사이에서의 결합을 형성하는 그런 리간드가 여기에서는 루이스 베이스 역할을 했죠 그리고 금속 이온 같은 경우에는 여기서 루이스 애시드의 역할을 하면서 서로 상호작용을 하고 있는 그런 결합을 형성을 하게 됩니다 이런 결합의 형태는 우리가 흔히 Coordinate Covalent Bond 라고 해서 Covalent Bond 중에서도 이제 조금 특이한 형태죠 전자를 서로 Share 하는 게 아니라 한쪽에서 일방적으로 전자를 제공하면서 결합을 형성하는 것 이걸 우리가 Coordinate Covalent Bond 라고 얘기를 합니다 지금은 물이 여기에서 리간드의 역할을 했죠 물이 가지고 있는 Lone Pair Electron이 금속에 전자를 제공을 하면서 이렇게 결합을 형성을 했다라고 보는 거예요 그래서 이러한 식으로 컴플렉스 아이온이나 컴플렉스 컴파운드를 형성할 수가 있는데 여기에서는 플러스 양이온이나 또는 마이너스 음이온과 같은 이런 컴플렉스 아이온을 형성을 했고요 이러한 것들이 바로 Coordinate Covalent Bond에 의해서 만들어져 있는 그런 형태다 라고 볼 수가 있습니다 자 이때 우리가 그 Ligand 사이에서도 이제 결합을 하는데 각각 서로 다른 그런 Coordination Number를 가질 수가 있어요 지금 같은 경우에는 Linear 형태의 Coordination Number가 2, Linear 형태라고 보는 거죠. 직선형이고 이때는 Coordination Number가 2에 해당이 됩니다. 그리고 Coordination Number가 4가 되면 이러한 Square Planar의 모양을 형성할 수가 있고요. 또 다른 형태로서 Tetrahedral을 형성할 수가 있습니다. 그러니까 Coordination Number가 6에 해당이 되는 경우에는 이때는 Octahedral에 해당이 되는 그런 그 구조를 각각 가질 수가 있게 됩니다 자 그래서 여기 리간드의 종류가 우선 나와있구요 리간드는 중성일 수도 있고 이제 이온일 수도 있는데 여기 리간드가 뭐 H2O 라든지 NH3 라든지 Cl- 같은 그런 리간드들이 있고 각 리간드에 따라서 이제 여기 지금 보면 Coordination Number가 나와 있습니다 6개 4개 6개 이런 식으로 그 다음에 이제 2개 이렇게 그 Coordination Number가 나와있구요 Oxidation Number of Central Atom CO가 제로인데 여기 전체 제로다 그러면 Ni도 제로가 된다 이렇게 보는 거구요 또 NH3는 제로인데 Cl은 마이너스 1까지 2개가 있습니다 그럼 마이너스 2가 되겠죠 이때 Pt는 플러스 2에 대한 부분이다 라고 볼 수가 있어요 자 그래서 지금 Coordination Central Atom에 대한 Oxidation Number를 우리가 봤구요 마지막으로 Shape에 대한 부분을 보면 이렇게 6개짜리의 Ligand가 있으면 Octahedral 6개의 Octahedral 그 다음에 4개면 Tetrahedral도 될 수 있고 그 다음에 Square Planar도 될 수가 있는데 이런 경우에는 Tetrahedral에 해당이 되고 그 다음에 이제 Linear 형태도 있겠죠 여기 지금 보면 이 Pt 같은 경우에는 이렇게 Square Planar의 모양을 갖는다 그래서 각각 다른 형태의 Shape을 가질 수 있다라고 봅니다