이전 강의에서는 일차 이온화 에너지만 다루었는데요
이번에는 일차 이온화에너지와 이차 이온화에너지를 비교해 볼게요
리튬을 예로 들겠습니다
리튬은 원자번호 3번이구요 3개의 양성자를 갖고 있어요
중성의 리튬은 양성자와 전자의 개수가 같아야해요
그러면 3개의 전자가 있겠지요
1S에 두개 2S에 하나가 채워져 있겠네요
1S 오비탈에 두개가 채워져있고
나머지 전자하나는 2S 오비탈에 있겠네요
이게 가장 간단하게 중성리튬을 나타낼 수 있겠네요
에너지를 가해서 이 전자를 떼어내버릴게요
이 에너지를 일차 이온화에너지 라고 부르지요
일차 이온화에너지는 약 520KJ/mol 입니다
전자를 하나 떼어내게 되면
더이상 중성인 리튬원자가 아니에요
리튬 이온이 되는것이지요
양성자는 +3이고 전자는 2개밖에 없어요
한개를 떼어냈으니까 두개가 되겠지요
+3 -2 = +1 이므로 Li+ 이온이 되겠네요
그러면 1S 오비탈에 두 개의 전자 밖에 없겠네요
2S 오비탈에 있던 전자를 떼어냈기 때문이죠
더 많은 에너지를 줘서 전자를 하나 더 떼어내보죠
이 전자를 떼어내볼게요
그러면 이걸 2차이온화 에너지라고 부를게요
IE2 라고 표시할게요
이 값은 약 7298KJ/mol 이에요
두번째 전자를 떼어내면
역시 양성자는 +3이고
전자 하나만 남게 되겠지요
그러면 Li2+가 되겠어요
왜냐면 +3 -1 = +2 이기 때문이죠
Li 2+의 전자배치는 1S 에 전자 하나만 있겠네요
일차 이온화 에너지와 이차 이온화 에너지는 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있어요
520 대 7298 이죠
왜 이렇게 큰 차이를 보이는지 알아보죠
3개의 요소로 분석해 볼게요
첫번째는 핵전하량 이에요
핵에 있는 양성자의 전하량을 말해요
중성 리튬을 보면
핵에는 +3의 전하를 띱니다
+3의 전하량만큼 이 전자를 끌어 당기게 되는 것이지요
Li + 양이온을 보면 비슷한 상황이죠
역시 3개의 양성자가 있어서 +3의 전하량으로 끌어 당기는 것이죠
같은 숫자의 양이온이 있기 때문에 더 영향력이 큰 요소를 고려해야 해요
두번째로 전자가리움을 고려해 보죠
shielding 은 screening 이라고도 하죠
가리움 효과를 고려해 볼게요
더 안쪽 오비탈에 있는 전자를 생각해보면
이 두 전자가 안쪽오비탈에 있는 전자가 되겠어요
이 두 전자는 바깥쪽에 있는 전자를 밀어내게 됩니다
이 쪽 전자도 밀어내게 되구요
전자의 반발력 때문에 핵의 전하량을 덜 느끼게 되는 것이죠
+3의 핵전하량을 다 못느끼는 것이죠
유효 핵전하를 생각하려면 양성자의 전하량에서
1S 오비탈에서 가리는 두 전자를 빼주면 됩니다
그러면 유효핵전하는 +1 정도가 되겠네요
그러면 이 핑크색의 전자는 +3의 전하량이 아니라
+1 정도의 전하량으로 느끼게 된다는 것이지요
실제 계산은 약 1.3 정도로 나옵니다
가리움 효과를 적용하면 모든 핑크색의 전자가 느끼는 전하량을 감소시킵니다
이 쪽 전자로 넘어오게 되면
같은 상황이 아닌것이죠
가릴수 있는 전자가 적어지게 됩니다
같은 오비탈의 이 전자는 조금 덜 반발하게 됩니다
그래서 +3의 핵전하량을 다 느끼지 못하지만
이전 상황보다는 더 많이 느끼게 되면서 강한 인력이 작용하게 되죠
그래서 이 핑크색의 전자를 붙들고 있으려고 하고
더 많은 에너지를 필요로 하게 되는거죠
가리움 효과는 일차이온화에너지 보다 이차이온화에너지가 큰 이유를 말해주고 있어요
마지막 요소로는 핵에서 핑크색 전자가 떨어진 거리입니다
이 전자는 두번째 에너지 준위 만큼 떨어져 있어요
이 전자 보다 더 멀리 떨어져 있게 됩니다
이 전자는 1S 오비탈에 해당하는 에너지 준위에 있어요
이 쪽 거리가 더 짧게 되는 것이죠
가까이 있는 전자가 핵전하량을 더 많이 느낄수 있겠지요
이는 쿨롱의 법칙으로 설명할 수 있어요
인력이 증가하게 되니까
그 인력을 끊으려는 에너지가 더 많이 들겠지요
그래서 이차이온화에너지가 더 크게 되겠네요
이것도 이온화에너지의 증가를 설명할수 있겠어요
거리가 짧으면 더 많은 에너지를 들게 한다는 것이죠
이게 또다른 이유가 될 수 있겠네요
Li +가 되는 것이 Li2+가 되는 것보다 어렵다는 것이겠죠
각 이온의 이온화 에너지를 보면 어떤 이온이 형성되기 쉬운지 알 수 있을겁니다