전기 음성도는 주기를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 커지고, 족을 따라 위에서 아래로 갈수록 작아집니다. 그래서 전기 음성도가 가장 큰 원소들은 주기율표 오른쪽 위에, 가장 작은 원소들은 왼쪽 아래에 있습니다. 폴링 척도로 플루오린이 3.98로 가장 높고, 세슘(0.79)과 프랑슘(0.7)이 가장 낮으며, 비활성 기체는 보통 이 경향에서 빠집니다.
전기 음성도는 결합 속의 원자가 공유 전자를 얼마나 세게 끌어당기는지를 나타냅니다. 이 글에서는 숫자의 뜻, 폴링 척도가 나온 과정, 경향이 그렇게 나타나는 이유와 들어맞지 않는 곳, 그리고 전기 음성도 차이로 결합의 극성을 판단하는 방법을 설명합니다.
전기 음성도가 나타내는 것
전기 음성도는 홀로 있는 원자가 아니라 결합 안에 있는 원자의 성질입니다. OpenStax는 이를 원자가 전자(또는 전자 밀도)를 자기 쪽으로 끌어당기는 경향이라고 정의합니다. 두 원자가 전자쌍을 공유하면 전기 음성도가 큰 쪽이 전자쌍을 더 가까이 끌어와 약한 음전하를 띠고, 다른 원자는 약한 양전하를 띱니다. 예를 들어 염화 수소에서는 염소가 부분 음전하를 띱니다.
전기 음성도는 측정값이 아니라 계산값이며 단위가 없습니다. 이 점이 전자 친화도와 가장 다릅니다. 전자 친화도는 기체 상태의 원자 하나가 전자를 얻을 때의 에너지 변화로 측정합니다. LibreTexts의 주족 원소 화학 교재는 이온화 에너지와 전자 친화도가 기체 상태의 반응으로 정의되어 실제 화합물 속 결합과 연결하기 어렵다는 점이 전기 음성도가 만들어진 이유 중 하나라고 설명합니다.
폴링 척도와 숫자가 나온 과정
대부분의 표에 실린 값은 폴링 전기 음성도입니다. 라이너스 폴링이 1932년 단일 결합의 에너지와 원자의 상대적 전기 음성도에 관한 논문에서 제시했으며, LibreTexts에 따르면 지금도 가장 널리 쓰이는 척도입니다.
폴링의 방법은 결합 에너지에서 출발합니다. 서로 다른 두 원자의 결합 X–Y를 생각해 보세요. 순수한 공유 결합이라면 에너지가 X–X 결합과 Y–Y 결합의 평균쯤이어야 합니다. 그런데 실제 X–Y 결합은 그보다 강했고, 오리건 주립대의 폴링 자료 아카이브에 따르면 폴링은 이 추가 세기를 결합이 부분적으로 이온성을 띠기 때문이라고 보았습니다. 추가 에너지가 클수록 X와 Y의 전기 음성도 차이도 큽니다. LibreTexts는 이 관계를 EN(X) − EN(Y) = 0.102√Δ로 적으며, Δ는 kJ/mol 단위의 추가 결합 에너지입니다.
여기서 두 가지를 알 수 있습니다.
- 상대적인 척도입니다. 이 방법은 원소 사이의 차이를 주므로 기준점 하나를 정해야 합니다. 폴링은 플루오린을 맨 위에 두었고, OpenStax는 그 결과를 0에서 4까지의 상대 척도라고 설명합니다.
- 반올림이 제각각입니다. OpenStax 같은 교과서는 플루오린을 4.0으로 반올림하고, PubChem 같은 데이터 표는 3.98로 적습니다. 오래된 교과서는 다른 원소도 반올림해서, 예컨대 산소를 3.44 대신 3.5로 씁니다.
멀리컨 척도처럼 다른 전기 음성도 척도도 있습니다. 원소의 순서는 대체로 비슷하지만 숫자가 다르므로, 한 비교 안에서 서로 다른 척도의 값을 섞지 마세요.
주기에 따른 경향
주기를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 전기 음성도가 커집니다. 2주기에서는 리튬 0.98에서 플루오린 3.98까지 한 칸마다 올라갑니다.
이유는 원자핵이 바깥 전자를 끌어당기는 힘에 있습니다. 오른쪽으로 한 칸 가면 원자핵에 양성자가 하나, 같은 바깥 껍질에 전자가 하나 늘어납니다. OpenStax는 같은 껍질의 전자끼리는 서로를 조금밖에 가리지 못하므로, 유효 핵전하(다른 전자들의 반발을 고려한 뒤 원자핵이 전자 하나를 끌어당기는 실제 힘)가 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 커진다고 설명합니다. 원자도 주기를 따라 작아지므로, 결합 전자가 더 세게 당기는 원자핵에 더 가까이 놓입니다.
그래서 왼쪽의 금속은 값이 작고 오른쪽의 비금속은 값이 큽니다. 3주기도 똑같이 올라갑니다. 나트륨 0.93, 마그네슘 1.31, 알루미늄 1.61, 규소 1.90, 인 2.19, 황 2.58, 염소 3.16입니다.
족에 따른 경향
족을 따라 아래로 갈수록 전기 음성도가 작아집니다. 한 칸 내려갈 때마다 전자 껍질이 하나 늘어 바깥 전자가 원자핵에서 멀어지며, OpenStax도 이 때문에 족을 따라 원자가 커진다고 설명합니다. 안쪽 껍질도 바깥 전자를 가립니다. 원자핵의 양성자가 늘어나도, 더 멀리 있는 결합 전자쌍은 덜 세게 끌립니다.
할로젠(17족)은 한 칸마다 값이 내려가서 플루오린 3.98에서 아이오딘 2.66이 됩니다. 1족은 처음부터 값이 작은 금속들이어서 내려가는 폭이 작고, 마지막 프랑슘은 0.7입니다. 칼륨과 루비듐은 0.82로 값이 같으므로, '족을 따라 작아진다'는 것은 경향이지 모든 칸이 지키는 규칙은 아닙니다.
두 경향을 합치면 대각선이 됩니다. 오른쪽 위로 갈수록 값이 커집니다. 표에서 가장 높은 네 원소는 플루오린, 산소(3.44), 염소(3.16), 질소(3.04)입니다. 족과 주기가 낯설다면 주기율표 보는 법에서 먼저 확인해 보세요.
경향이 들어맞지 않는 곳
이 경향은 대략적인 안내로 보세요. 들어맞지 않는 곳이 몇 군데 있고, 숙제와 시험에 자주 나옵니다.
- 비활성 기체. OpenStax는 비활성 기체가 바깥 껍질이 꽉 차 있어 보통 전자를 공유하지 않으므로 전기 음성도 그림에서 뺍니다. 폴링 값은 결합 에너지에서 나오므로 PubChem 표에는 헬륨, 네온, 아르곤의 값이 없습니다. 크립톤(3.00)과 제논(2.60)은 값이 있습니다.
- 갈륨과 저마늄. 단순한 규칙대로라면 갈륨은 13족에서 바로 위에 있는 알루미늄보다 작아야 합니다. 그런데 표에는 알루미늄 1.61, 갈륨 1.81로 나옵니다. 14족에서도 저마늄(2.01)이 규소(1.90)보다 큽니다.
- 금. 6주기 금속인 금은 2.54로, 탄소(2.55)와 거의 같습니다.
- 수소. 수소는 1족 위에 놓이지만 값이 2.20으로, 붕소(2.04)와 탄소(2.55) 사이이며 리튬(0.98)과는 거리가 멉니다.
전기 음성도 차이로 결합 예측하기
두 원자의 전기 음성도 차이가 클수록 그 결합은 극성이 큽니다. OpenStax는 대략적인 기준을 제시합니다. 차이가 0.4보다 작으면 순수한(무극성) 공유 결합, 0.4~1.8이면 극성 공유 결합, 1.8보다 크면 이온 결합입니다.
이 글의 폴링 값으로 계산하면 다음과 같습니다.
- C–H: 2.55 − 2.20 = 0.35, 사실상 무극성입니다.
- O–H: 3.44 − 2.20 = 1.24, 극성 공유 결합이며 산소가 부분 음전하를 띱니다.
- H–Cl: 3.16 − 2.20 = 0.96, 극성 공유 결합이며 염소가 부분 음전하를 띱니다.
- Na–Cl: 3.16 − 0.93 = 2.23, 이온 결합입니다.
OpenStax는 반올림한 값으로 H–Cl 0.9, Na–Cl 2.1을 얻는데, 결론은 같습니다. 다만 이 기준에는 예외가 많다고도 경고합니다. HF는 차이가 1.9인데 극성 공유 결합으로 설명되고, MnI₂는 1.0인데 이온 결합입니다. OpenStax의 실용적인 조언은 비금속끼리의 결합은 대개 공유 결합이고, 금속과 비금속의 결합은 이온 결합인 경우가 많다는 것입니다. 숫자는 경계에 있는 결합을 억지로 한 칸에 넣기보다, O–H가 C–H보다 극성이 크다는 식으로 결합끼리 비교하는 데 쓰세요.
색 지도로 경향 보기
전기 음성도로 색칠한 주기율표를 보면 대각선 경향과 예외가 한눈에 들어옵니다. 저희가 만드는 안드로이드 주기율표·분자 앱 Atomap은 118개 원소를 분류 대신 전기 음성도 같은 성질별 색으로 보여 줍니다.
전기 음성도 색 지도는 반데르발스 반지름, 녹는점과 함께 무료로 쓸 수 있는 색 지도 3종 중 하나입니다. 전기 음성도 지도와 반데르발스 반지름 지도를 번갈아 보면 이 글에서 다룬 두 경향을 나란히 비교할 수 있습니다. 폰에서는 두 손가락으로 표를 확대해 갈륨과 저마늄 같은 곳을 자세히 볼 수 있습니다.
원소를 누르면 위에서 이야기한 이온화 에너지, 전자 친화도, 반데르발스 반지름 같은 관련 성질과 그 원소가 든 분자가 나옵니다. 색 지도 12종 추가(모두 15종)는 원할 때 광고를 보고 받는 24시간 이용권으로 열립니다. 데이터가 앱에 들어 있어 오프라인에서도 동작하고, 화면마다 출처를 적어 두었습니다.
자주 묻는 질문
전기 음성도가 가장 큰 원소와 가장 작은 원소는 무엇인가요?
가장 큰 원소는 플루오린으로, 폴링 척도로 3.98(흔히 4.0으로 반올림)입니다. 가장 작은 원소는 세슘 0.79와 프랑슘 0.7입니다. 양 끝 모두 경향과 맞습니다. 플루오린은 오른쪽 위, 세슘과 프랑슘은 왼쪽 아래에 있습니다.
주기를 따라 전기 음성도가 커지는 이유는 무엇인가요?
오른쪽으로 한 칸 갈 때마다 양성자가 하나 늘지만, 새 전자는 같은 바깥 껍질에 들어갑니다. 같은 껍질의 전자는 서로를 잘 가리지 못하므로 유효 핵전하가 커지고 원자는 작아집니다. 그래서 원자핵이 결합 속 전자를 더 세게 끌어당깁니다.
비활성 기체에는 왜 전기 음성도 값이 없나요?
전기 음성도는 결합 속 원자의 성질인데, 비활성 기체는 바깥 껍질이 꽉 차 있어 보통 전자를 공유하지 않습니다. 폴링 값은 결합 에너지로 계산하므로 헬륨, 네온, 아르곤은 값이 없습니다. 크립톤과 제논은 3.00과 2.60으로 나와 있습니다.
전기 음성도와 전자 친화도는 어떻게 다른가요?
전자 친화도는 기체 상태의 원자 하나가 전자를 얻을 때 측정한 에너지 변화입니다. 전기 음성도는 원자가 결합 속 공유 전자를 얼마나 세게 끄는지를 나타내는, 단위 없는 계산값입니다. 둘 다 주기율표 오른쪽 위로 갈수록 커지는 경향이 있지만 같은 양은 아닙니다.
전기 음성도와 이온화 에너지는 같은 경향을 보이나요?
대체로 그렇습니다. OpenStax에 따르면 첫 번째 이온화 에너지는 일반적으로 주기를 따라 커지고 족을 따라 작아져, 전기 음성도와 방향이 같습니다. 원자 반지름은 반대로 주기를 따라 작아지고 족을 따라 커집니다.
