경향: 원자 반지름

세슘 원자의 반지름은 플루오린 원자의 약 2.5배입니다. PubChem 값으로 343 pm 대 135 pm입니다.

원자에는 단단한 테두리가 없습니다. 전자가 안개처럼 바깥으로 갈수록 서서히 옅어지기 때문입니다. 그래도 크기를 말해야 하니, 화학자는 원자끼리 얼마나 가까이 다가오는지로 크기를 정합니다. 모형은 PubChem의 반데르발스 반지름을 씁니다. 결합하지 않고 맞닿은 두 원자 사이 거리의 절반입니다. 「높이: 원자 반지름」을 켜면 표가 하나의 지형이 됩니다. 가장 높은 등성이는 왼쪽 맨 아래, 가장 낮은 땅은 오른쪽 위입니다.

족에서 아래로: 커집니다

족을 따라 아래로 내려가면 원소마다 위 원소보다 전자 껍질이 하나 더 있습니다. 새 껍질은 원자핵에서 더 먼 곳에 있으므로 원자가 커집니다. 1족의 PubChem 값은 리튬 182 pm에서 나트륨 227 pm, 칼륨 275 pm, 세슘 343 pm으로 커집니다. 1 pm은 1조분의 1 m이니, 안정한 원자 가운데 가장 큰 세슘도 반지름이 약 0.34 nm에 지나지 않습니다.

주기에서 오른쪽으로: 작아집니다

이 부분은 많은 사람이 뜻밖이라고 느낍니다. 주기를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 가면 원자마다 양성자와 전자가 하나씩 더 많은데도 원자는 작아집니다. 새 전자는 모두 같은 바깥 껍질에 들어가는 반면, 원자핵의 (+) 전하는 계속 커지기 때문입니다. 같은 껍질의 전자는 서로를 원자핵으로부터 잘 가려 주지 못하므로, 바깥 전자는 점점 더 센 힘으로 끌려 안쪽으로 당겨집니다. 2주기에서 반지름은 리튬 182 pm에서 플루오린 135 pm으로 줄어듭니다.

바깥 전자가 실제로 느끼는 끌림을 유효 핵전하라고 합니다. 원자핵 전하에서 안쪽 전자가 가려 주는 만큼을 뺀 값입니다. 주기를 따라 오른쪽으로 가면 꾸준히 커집니다. 족을 따라 내려가면 늘어난 양성자만큼 가려 주는 안쪽 전자 층도 늘어나므로 유효 핵전하는 별로 변하지 않고, 거리가 멀어지는 효과가 이깁니다.

모형을 정직하게 읽기

실제 자료는 교과서 규칙보다 울퉁불퉁합니다. 비활성 기체는 결합하지 않는 원자가 맞닿은 상태로 재므로 이웃 원소보다 반데르발스 반지름이 큽니다. 같은 표의 다른 값 가운데에는 결합한 결정에서 잰 것도 있습니다. 전이 금속은 d 구역을 가로질러도 조금만 변합니다. 경향은 s 구역과 p 구역에서 가장 뚜렷합니다. 가장 무거운 인공 원소의 타일은 크기를 잰 사람이 없어서 회색으로 납작하게 남아 있습니다.

크기는 화학 반응에 중요합니다. 큰 원자는 바깥 전자를 느슨하게 붙잡으므로, 세슘 같은 큰 금속 원자는 전자를 쉽게 내줍니다. 플루오린 같은 작은 원자는 자기 전자를 단단히 붙잡고 다른 원자의 전자까지 끌어당깁니다. 반지름은 여러 경향 가운데 첫째이고, 다음 단원의 전기 음성도도 여기서 이어집니다.

원자는 이온이 되면 크기가 달라집니다. 나트륨 원자가 바깥 전자 하나를 잃으면 셋째 껍질이 통째로 사라지므로, Na⁺ 이온은 원자보다 훨씬 작아져 이온 반지름이 약 102 pm입니다. 염소 원자가 전자 하나를 얻으면 같은 껍질 속 전자끼리 밀어내는 힘이 커져 Cl⁻ 이온은 약 181 pm으로 부풀어 오릅니다. 이 두 값이 소금 결정 속 이온 사이 간격을 정하고, 화학 결합 과정의 분자 모형에서 볼 수 있습니다.