주기율표 보는 법: 칸, 족, 주기, 블록 읽는 순서

주기율표를 읽으려면 먼저 칸 하나를 보고, 그다음 그 칸이 어디에 있는지 보면 됩니다. 칸에는 원자 번호(양성자 수), 원소 기호, 평균 원자량, 그리고 많은 경우 원소 이름이 적혀 있습니다. 세로줄인 족은 원소가 어떻게 행동하는지를, 가로줄인 주기는 가장 바깥 전자 껍질이 몇 번째인지를 알려 줍니다.

이 몇 가지 규칙만 알면 처음 보는 원소에 대해서도 많은 것을 알아낼 수 있습니다. 이 글에서는 염소를 주된 예로 각 부분을 차례로 살펴보고, 규칙이 통하지 않는 경우도 함께 설명합니다. 주기율표에는 처음 볼 때 거의 누구나 헷갈리는 예외가 몇 가지 있기 때문입니다.

칸 하나가 알려 주는 것

칸은 원소 하나의 작은 신분증입니다. 화학 교과서 OpenStax에 따르면 칸마다 원자 번호, 원소 기호, 평균 원자량이 있고 때로는 이름도 있습니다.

표마다 배치가 다르므로 위치가 아니라 숫자의 종류로 구분하세요. 영국왕립화학회(RSC)가 설명하듯 표에는 보통 숫자가 두 개 있는데, 작은 쪽이 원자 번호이고 큰 쪽이 상대 원자 질량입니다. 염소를 예로 들면 이렇습니다.

많은 표가 금속, 비금속, 준금속을 색으로 나누고, 고체·액체·기체를 표시하기도 합니다. 색을 믿기 전에 먼저 표의 범례를 확인하세요.

원자 번호와 원자량의 뜻

원자 번호는 어떤 원소인지를, 원자량은 그 원소의 원자가 평균적으로 얼마나 무거운지를 알려 줍니다. 염소 원자는 모두 양성자가 17개입니다. 양성자가 16개라면 다른 원소입니다. 주기율표는 원자 번호 순서로 이어지므로 이 숫자는 다음 원소로 갈 때마다 1씩 커집니다.

두 번째 숫자는 표나 책에 따라 평균 원자 질량, 상대 원자 질량, 원자량이라고 부릅니다. 표를 읽을 때는 같은 숫자로 생각하면 됩니다.

원자량에 소수점이 있는 이유

원자량은 동위원소의 평균입니다. 동위원소는 같은 원소이지만 중성자 수가 다른 원자입니다. OpenStax의 염소 계산에 따르면 자연의 염소는 염소-35가 약 75.76%, 염소-37이 24.24%이고, 이를 가중 평균하면 약 35.45가 됩니다. 35.45인 원자가 실제로 있는 것은 아닙니다. 한 가정의 평균 자녀 수가 2.4명이라고 말하는 것과 비슷합니다.

중성자 수 구하는 법

중성자 수 = 질량수 − 원자 번호입니다. 질량수는 특정 동위원소 하나의 양성자와 중성자를 더한 수이므로 항상 정수입니다. 염소-35의 중성자는 35 − 17 = 18개이고, 염소-37은 37 − 17 = 20개입니다.

수업에서 흔히 쓰는 지름길은 원자량을 반올림한 뒤 원자 번호를 빼는 것입니다. 하지만 실제로 없는 동위원소가 나올 수 있으니 대략적인 어림으로만 쓰세요. 구리의 원자량 63.546을 반올림하면 64이지만, 원자량을 정하는 국제 위원회인 CIAAW에 따르면 자연의 구리는 구리-63이 약 69%, 구리-65가 약 31%입니다. 중성자는 35개가 아니라 34개와 36개입니다. 문제에 동위원소가 나와 있다면 그 질량수를 쓰세요.

대괄호, 줄표, 범위

이 표시는 인쇄 오류가 아닙니다. 원자량 하나로 그 원소를 얼마나 잘 나타낼 수 있는지를 보여 줍니다.

• 대괄호: 국제 화학 기구인 IUPAC은 자연에서 일정한 동위원소 구성을 보이지 않는 원소에 대괄호를 씁니다. 안의 숫자는 반감기가 가장 긴 것으로 확인된 동위원소의 질량수입니다. 예를 들어 NIST 자료는 테크네튬(43번)을 [98]로 표시합니다.
• 줄표: CIAAW의 표는 이런 종류의 원소에 표준 원자량을 아예 적지 않습니다. 테크네튬과 넵투늄부터 오가네손까지의 원소가 그렇습니다.
• 범위: 동위원소 구성이 자연 시료마다 다른 원소가 있어서, CIAAW의 전체 표는 염소처럼 [35.446, 35.457] 같은 구간으로 적습니다. 일상용으로 줄인 값도 함께 내는데, 35.45가 여기서 나온 값입니다.

족: 18개의 세로줄

같은 족의 원소는 비슷하게 행동하는 경우가 많습니다. 바깥 전자, 즉 원자가 전자의 수가 같기 때문입니다. 원자가 전자는 화학 반응에 가장 많이 관여하는 전자입니다. IUPAC은 1988년부터 족을 1~18로 번호 매기도록 권하고 있습니다. 예전 표, 특히 미국의 표에는 로마 숫자와 알파벳을 함께 쓴 것이 있으니 어떤 방식인지 확인하세요.

1족과 2족은 족 번호가 곧 원자가 전자 수입니다. 13~18족은 10을 빼면 됩니다. 염소는 17족이므로 7개입니다. 예외는 헬륨입니다. 18족 비활성 기체에 속하지만 원자에 전자가 2개뿐입니다.

3~12족에는 이 방법이 통하지 않습니다. OpenStax는 이 전이 금속의 원자가 전자를 서로 다른 두 껍질에 걸쳐 세므로, 뺄셈 한 번으로는 답이 나오지 않습니다.

주기: 7개의 가로줄

주족 원소(1, 2, 13~18족)에서 주기 번호는 가장 바깥 껍질이 몇 번째인지를 알려 줍니다. 염소는 3주기이므로 원자가 전자가 3번째 껍질에 있습니다.

가로줄의 길이는 모두 같지 않습니다. 아래쪽에 따로 있는 두 줄을 6, 7주기에 넣어 세면 일곱 주기에 원소가 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32개 있고, 모두 더하면 118개입니다. 새 주기는 전자가 새 껍질을 채우기 시작할 때 시작되고, 줄을 따라가면 성질이 되풀이됩니다. 이 되풀이되는 규칙 때문에 주기율표라고 부릅니다.

위치로 알 수 있는 성질

원소의 위치를 보면 이웃 원소와 어떻게 다를지 예상할 수 있습니다. 어디까지나 일반적인 경향이니 좋은 첫 추측으로 생각하세요.

• 금속과 비금속: 금속은 왼쪽과 가운데에, 비금속은 오른쪽 위에 있습니다. 13~16족을 지나는 지그재그 선이 둘을 나누고, 그 선을 따라 규소와 저마늄 같은 중간 성질의 준금속이 있습니다.
• 원자 크기: 대체로 주기를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 작아지고, 족을 따라 아래로 갈수록 커집니다.
• 이온화 에너지(전자를 떼어 내는 데 드는 에너지): 대체로 주기를 따라 커지고 족을 따라 아래로 갈수록 작아집니다.
• 전기 음성도(공유한 전자를 끌어당기는 정도): 주기를 따라 커지고 족을 따라 아래로 갈수록 작아집니다. 오른쪽 위에 가까운 플루오린이 폴링 척도로 4.0으로 가장 높습니다.
• 1족의 반응성: RSC에 따르면 1족에서는 아래쪽 원소일수록 더 쉽게 반응합니다.

예외도 있습니다. 예를 들어 붕소의 이온화 에너지는 베릴륨보다 낮고, 산소는 질소보다 낮습니다. 둘 다 같은 주기에서 더 뒤에 있는데도 그렇습니다. 경향은 예상을 알려 줄 뿐 보장하지는 않습니다.

블록: 표가 이런 모양인 이유

블록(구역)은 주기율표의 네 영역으로, 채워지는 오비탈(전자가 발견되는 공간)의 종류를 따라 이름을 붙였습니다. 블록을 보면 표의 특이한 윤곽이 이해됩니다. 블록의 폭이 그 오비탈 종류에 들어가는 전자 수와 같기 때문입니다.

맨 아래 두 줄인 란타넘족과 악티늄족은 6주기와 7주기에 속합니다. OpenStax는 표를 한 페이지에 담기 위해 따로 뺀 것이라고 설명합니다.

이 부분을 그리는 방식은 표마다 다릅니다. IUPAC은 3족의 구성을 아직 검토 중이라고 밝혔고, 후보는 스칸듐·이트륨·루테튬·로렌슘 또는 스칸듐·이트륨·란타넘·악티늄입니다. 그래서 내 표가 친구의 표와 이 부분에서 달라도 어느 한쪽이 꼭 틀린 것은 아닙니다.

어떤 원소든 5단계로 읽기

매번 같은 순서로 읽으면 표가 훨씬 쉬워집니다.

1. 칸을 읽습니다. 원자 번호, 원소 기호, 원자량을 봅니다.
2. 세로줄을 찾습니다. 족 번호와 족 이름을 봅니다.
3. 가로줄을 찾습니다. 주기 번호를 봅니다.
4. 블록을 말해 봅니다. 위치를 보고 s, p, d, f 중 하나를 고릅니다.
5. 예측해 봅니다. 위치를 보고 금속인지, 이웃과 어떻게 다른지, 원자가 전자가 몇 개인지 짐작합니다.

나트륨은 쉬운 예입니다. 원자 번호 11, 원자량 22.990이고 1족 3주기, s 블록에 있습니다. 그러므로 원자가 전자가 1개인 알칼리 금속이고, 그 전자를 잃어 1+ 이온이 되기 쉽습니다.

철은 한계를 보여 줍니다. 원자 번호 26, 원자량 55.845이고 8족 4주기, d 블록에 있습니다. 전이 금속이라는 것은 알 수 있지만, 위치만으로 이온 전하를 하나로 정할 수는 없습니다. 전이 금속은 여러 가지 전하의 이온을 만드는 경우가 많기 때문입니다.

터치해서 보는 주기율표 활용하기

이 내용을 익히는 데는 좋은 종이 표로도 충분하며, NIST가 무료로 인쇄용 표를 제공합니다. 터치해서 보는 주기율표는 인쇄된 칸에 담기지 않는 자세한 정보를 볼 때 도움이 됩니다. 저희가 만드는 안드로이드 주기율표 앱 Atomap으로 설명합니다.

원소를 누르면 그 원소가 든 분자, 족·주기, 전자 배치, 이온화 에너지, 전자 친화도, 반데르발스 반지름, 녹는점·끓는점, 밀도, 산화수, 동위원소와 반감기, 발견 연도가 나옵니다. 그래서 내 예측을 확인하기 좋습니다. 족, 주기, 원자가 전자를 먼저 짐작한 뒤 원소를 열어 보세요.

동위원소 목록은 중성자 문제를 풀 때 편리합니다. 반올림한 평균값이 아니라 실제 동위원소를 볼 수 있기 때문입니다.

경향을 가장 빠르게 보려면 색 지도를 쓰세요. 전기 음성도가 오른쪽 위로 갈수록 커진다고 외우는 대신, 표를 전기 음성도 색 지도로 바꿔 직접 보면 됩니다. 전기 음성도, 반데르발스 반지름, 녹는점 색 지도는 무료입니다. 나머지 12종은 원할 때 광고를 보고 받는 24시간 이용권으로 열립니다.

이온 문제를 위해 Atomap에는 이온 전하 표도 있습니다. 폰에서는 두 손가락으로 표를 확대할 수 있고, 데이터가 앱에 들어 있어 오프라인에서도 동작합니다. 화면마다 출처를 적어 두어 원래 자료와 값을 대조해 볼 수 있습니다.

자주 묻는 질문

족과 주기는 어떻게 다른가요?

족은 세로줄이고 주기는 가로줄입니다. 같은 족의 원소는 원자가 전자 수가 같아서 비슷하게 행동하는 경우가 많습니다. 같은 주기의 주족 원소는 가장 바깥 껍질이 같고, 줄을 따라 성질이 조금씩 달라집니다.

왜 아래쪽 두 줄만 따로 있나요?

표를 한 페이지에 담기 위해서입니다. 란타넘족은 6주기, 악티늄족은 7주기에 속합니다. 제자리에 넣어 인쇄하면 표가 훨씬 넓어집니다.

왜 원자량 순서로 늘어놓지 않나요?

원소의 성질이 원자 번호에 따라 되풀이되기 때문에 현대의 주기율표는 원자 번호 순서로 늘어놓습니다. 초기의 표는 질량 순서였고, 두 순서는 대체로 일치합니다. 하지만 아르곤(18번, 39.95)은 칼륨(19번, 39.098)보다 무겁고, 코발트와 니켈, 텔루륨과 아이오딘도 마찬가지입니다.

수소는 알칼리 금속이 아닌데 왜 1족에 있나요?

수소는 1족과 17족 양쪽과 비슷한 성질을 가진 독특한 비금속입니다. OpenStax는 수소를 두 족 중 어느 쪽 맨 위에 두거나 따로 둘 수 있다고 설명합니다. 리튬 위에 수소를 둔 표에서도 알칼리 금속에 수소는 포함하지 않습니다.

주기율표로 이온의 전하를 알 수 있나요?

주족 원소는 많은 경우 알 수 있습니다. 1족 금속은 1+, 2족 금속은 2+, 16족 원자는 2−, 17족 원자는 1− 이온이 됩니다. 표의 가운데로 갈수록 이 규칙은 약해집니다. 예를 들어 구리는 1+ 이온도 2+ 이온도 될 수 있습니다.

간단한 연습 방법

가장 잘 익히는 방법은 먼저 예측하고 나중에 확인하는 것입니다. 잘 모르는 원소 다섯 개를 고르세요. 각각의 족, 주기, 블록, 금속 여부를 적고, 주족 원소라면 원자가 전자 수도 적으세요. 그런 다음 표나 원소 화면에서 답을 확인합니다. 틀린 것은 다시 볼 가치가 있습니다. 상당수가 이 글에서 짚은 전이 금속과 예외일 것입니다. 몇 번 하다 보면 주기율표가 외워야 할 사실의 목록이 아니라 지도처럼 읽히기 시작합니다.