전자 껍질

네온, 아르곤, 헬륨은 다른 물질과 거의 반응하지 않습니다. 그 이유는 전자가 놓인 방식에 있습니다.

간단한 껍질 모형에서 전자는 원자핵 둘레의 층을 차례로 채웁니다. 원자 번호 20까지는 첫 층에 2개, 다음 층에 8개, 그다음 8개, 남은 것은 넷째 층에 들어갑니다. 실제 전자가 동그란 궤도를 도는 것은 아니지만, 이 모형으로 화학 반응의 많은 부분을 설명할 수 있습니다. 정해진 에너지 준위라는 생각은 1913년 닐스 보어가 내놓았고, 화학자들은 지금도 원소가 왜 그렇게 반응하는지 설명할 때 이 그림을 씁니다.

껍질을 채우는 순서

전자는 가장 안쪽 껍질부터 들어갑니다. 원자핵이 가장 세게 붙잡는 곳이기 때문입니다. 수소는 전자 1개, 헬륨은 2개로 첫 껍질이 찹니다. 전자가 3개인 리튬은 둘째 껍질을 새로 시작해 2, 1이 됩니다. 둘째 껍질은 네온(2, 8)에서 다 찹니다. 나트륨이 셋째 껍질을 시작하고, 아르곤(2, 8, 8)에서 8개가 됩니다. 칼륨과 칼슘은 마지막 전자를 넷째 껍질에 넣습니다.

무거운 원자에서는 바깥 껍질에 8개보다 많이 들어갈 수 있습니다. n번째 껍질의 최대 전자 수는 2 × n × n이라서 차례로 2, 8, 18, 32입니다. 그래도 원자 번호 20까지는 셋째 껍질이 8개에서 멈추고 넷째 껍질이 시작되므로, 이 과정에서는 그것만 알면 됩니다.

가장 바깥 껍질

반응에 참여하는 것은 가장 바깥 껍질의 전자입니다. 네온(2, 8)처럼 바깥 껍질이 꽉 찬 원자는 안정합니다. 나트륨(2, 8, 1)은 바깥 전자 1개를 쉽게 내주고, 염소(2, 8, 7)는 1개를 쉽게 받아들입니다. 그래서 두 원소가 만나면 소금(염화 나트륨)이 됩니다. 나트륨은 +1 이온, 염소는 −1 이온이 되고, 반대 전하가 둘을 붙잡아 둡니다.

같은 생각으로 이온의 전하도 예측할 수 있습니다. 바깥 전자가 1개, 2개, 3개인 원자는 그 전자를 잃고 그 아래의 꽉 찬 껍질만 남기려는 경향이 있습니다. 마그네슘(2, 8, 2)은 2개를 잃고 Mg²⁺가 됩니다. 꽉 찬 껍질까지 1개나 2개가 모자란 원자는 전자를 얻으려 합니다. 산소(2, 6)는 2개를 얻어 O²⁻, 염소는 1개를 얻어 Cl⁻가 됩니다. 바깥 전자 수만 세어 보면 찾아보기 전에 전하를 대개 짐작할 수 있습니다.

껍질과 주기율표

껍질 모형은 주기율표가 왜 그렇게 생겼는지도 설명합니다. 가로줄인 주기는 새 껍질이 시작되는 자리입니다. 1주기의 수소와 헬륨은 껍질 하나, 2주기의 리튬부터 네온까지는 껍질 둘, 3주기의 나트륨부터 아르곤까지는 껍질 셋을 씁니다. 세로줄인 족에 함께 놓인 원소들은 바깥 전자 수가 같아서 비슷하게 행동합니다. 리튬, 나트륨, 칼륨은 모두 바깥 전자가 1개이고 셋 다 물과 세게 반응합니다. 헬륨, 네온, 아르곤은 바깥 껍질이 꽉 찬 마지막 줄의 비활성 기체로, 거의 반응하지 않습니다.