족과 주기 (Group and Period)

한 줄 정의: 주기율표에서 세로줄을 족, 가로줄을 주기라고 하며, 같은 족의 원소는 화학적 성질이 비슷하고 같은 주기의 원소는 전자껍질 수가 같습니다.

쉽게 풀면

아파트 건물을 떠올려 보면 이해하기 쉽습니다. 같은 라인(세로줄)에 있는 집들은 층은 달라도 구조가 비슷하고, 같은 층(가로줄)에 있는 집들은 라인은 달라도 높이가 같습니다. 주기율표에서 세로줄인 '족'에 속한 원소들은 가장 바깥 전자껍질의 전자 수(원자가전자 수)가 같아서 화학적 성질이 서로 비슷합니다. 예를 들어 1족 원소인 리튬, 나트륨, 칼륨은 모두 전자를 하나씩 잃고 반응성이 큰 금속입니다. 반면 가로줄인 '주기'는 전자껍질의 수를 나타내는데, 2주기 원소는 전자껍질이 2개, 3주기 원소는 전자껍질이 3개인 식입니다.

왜 중요한가

족과 주기는 원소의 화학적·물리적 성질을 예측하고 설명하는 가장 기본적인 틀이기 때문에, 무기화학, 재료과학, 촉매 연구 등 새로운 원소나 화합물의 성질을 비교하는 논문에서 빠짐없이 언급됩니다. 특정 족의 경향성을 이용해 미지의 원소나 신물질의 성질을 예측하거나, 주기적 경향에서 벗어나는 예외적 현상을 설명하는 데도 자주 활용됩니다. 이 때문에 화학 논문 서론에서 연구 대상 원소를 소개할 때 기본 배경지식으로 다뤄지는 경우가 많습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"동일 족에 속한 원소들은 유사한 원자가전자 배치를 가지므로 비교 대상으로 선정하였다."

이 문장은 같은 족 원소들이 화학적 성질의 기준이 되는 원자가전자 구조를 공유한다는 점을 근거로, 실험 비교군을 선정했다는 뜻입니다.

"동일 주기 내에서 원자번호가 증가함에 따라 이온화에너지가 대체로 증가하는 경향이 관찰되었으며, 이는 유효핵전하 증가로 설명된다."

같은 주기 안에서 나타나는 주기적 경향성을 유효핵전하 개념으로 설명하는 물리화학 논문의 전형적인 서술입니다.

조금 더 깊게 보면

족과 주기에 따른 경향성은 흔히 원자반지름, 이온화에너지, 전기음성도 같은 지표의 변화로 설명되며, 이는 원자핵이 바깥 전자를 끌어당기는 힘인 유효핵전하와 전자껍질 수의 변화로 이해됩니다. 다만 전이금속이나 란타넘족·악티늄족처럼 안쪽 전자껍질(d오비탈, f오비탈)이 채워지는 원소들은 이러한 경향성이 대표원소만큼 뚜렷하지 않아, 논문에서는 이런 예외를 별도로 언급하는 경우가 많습니다.

주의할 점

같은 족이면 성질이 비슷하다는 규칙은 전이금속을 제외한 대표 원소(1, 2족과 13~18족)에서 잘 들어맞지만, 전이금속(3~12족)은 예외가 많아 이 규칙이 뚜렷하게 적용되지 않습니다. 족과 주기에 따른 원소 배열의 전체 모습은 주기율표에서 한눈에 확인할 수 있습니다.