족과 주기 (Group and Period)
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.
핵심 정리
- 주기(가로줄): 7개이며, 1~7주기라고 부릅니다. 바닥상태 전자 배치에서 가장 바깥쪽 껍질의 주양자수 n이 주기 번호와 같은 것이 일반적입니다(예외는 아래 표 참고).
- 족(세로줄): 18개이며, 1~18족으로 번호를 붙입니다(IUPAC, 1988). 예전의 IA·IIA·IIIB 같은 표기가 오래된 책에 남아 있어 헷갈릴 수 있습니다(Fluck, 1988). 1·2족과 13~18족(대표원소)은 족 번호로 원자가전자 수를 알 수 있습니다(1·2족은 족 번호 그대로, 13~18족은 족 번호 − 10).
- 경향: 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 가면 유효핵전하가 커져 원자 반지름은 대체로 작아지고, 이온화 에너지와 전기음성도는 커집니다. 같은 족에서 아래로 가면 껍질이 늘어 원자 반지름이 커지고, 이온화 에너지는 작아집니다(원자 반지름, 이온화 에너지, 전기음성도).
- 이름이 있는 족: 1족(수소 제외) 알칼리 금속, 2족 알칼리 토금속, 17족 할로젠, 18족 비활성 기체.
예시로 보기
전자 배치에서 주기와 족을 읽는 법입니다.
| 원소(원자번호) | 바닥상태 전자 배치 | 주기 | 족 | 근거 |
|---|---|---|---|---|
| 나트륨 Na (11) | [Ne] 3s1 | 3 | 1 | 바깥 껍질 n = 3, 원자가전자 1개 |
| 염소 Cl (17) | [Ne] 3s23p5 | 3 | 17 | n = 3, 원자가전자 7개 → 17 = 7 + 10 |
| 철 Fe (26) | [Ar] 3d64s2 | 4 | 8 | d 블록: 4s와 3d 전자 합 8개 → 8족 |
| 브로민 Br (35) | [Ar] 3d104s24p5 | 4 | 17 | n = 4, 4s·4p 전자 7개 |
| 팔라듐 Pd (46) | [Kr] 4d10 | 5 | 10 | 바닥상태에서 5s 전자가 없지만 5주기 (예외) |
같은 족인 Cl(3주기)과 Br(4주기)은 모두 −1 이온이 되기 쉽고 비슷하게 반응하지만 Br은 껍질이 하나 더 있어 반지름이 크고 반응성이 약합니다. 같은 3주기인 Na와 Cl은 전자 껍질 수는 같아도 성질이 전혀 다릅니다. 같은 주기라고 닮는 것이 아니라 같은 족이 닮는다는 점이 핵심입니다.
자주 하는 오해
| 오해 | 바로잡기 |
|---|---|
| 같은 족이면 모든 성질이 비슷하다. | 대표원소에서 닮는 정도가 높고, 전이금속에서는 같은 족이어도 차이가 크며 이웃한 족과 닮은 점도 많습니다. 2주기 원소(Li, Be, B…)는 같은 족의 아래 원소와도 다른 점이 많습니다. |
| 주기 번호는 항상 전자껍질의 수이다. | 대부분 그렇지만 바닥상태에서 가장 바깥 s 전자가 d로 옮긴 Pd 같은 예외가 있습니다. 바닥상태가 아닌 들뜬 원자는 해당 없습니다. |
| 수소는 1족이니 알칼리 금속이다. | 수소는 1족에 놓이지만 알칼리 금속이 아닙니다. 위치는 표에 따라 1족 또는 17족 위에 놓이는 등 관례가 다릅니다. |
| 란타넘족과 악티늄족은 주기율표 밖에 있다. | 6·7주기 안에 속하며, 표를 짧게 그리려고 아래로 따로 뺀 것입니다. 3족에 어떤 원소가 들어가는지는 논의가 있습니다. |
| 족 번호만 보면 원자가전자 수를 항상 알 수 있다. | 1·2족과 13~18족(대표원소)에만 해당합니다. 전이금속은 다릅니다. |
논문에서는 이렇게 쓰입니다
실제 논문에서
이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.
예시 문장
아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.
이 문장은 같은 족 원소들이 화학적 성질의 기준이 되는 원자가전자 구조를 공유한다는 점을 근거로, 실험 비교군을 선정했다는 뜻입니다.
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.
헷갈리기 쉬운 용어
| 용어 | 무엇인가 | 족·주기와의 관계 |
|---|---|---|
| 주기율표 | 원소를 원자번호 순서로 배열한 표 | 족과 주기는 이 표의 세로줄과 가로줄입니다. |
| 원자가전자 | 가장 바깥 껍질의 전자 | 같은 족의 대표원소는 원자가전자 수가 같습니다. |
| 전자 배치 | 전자가 오비탈에 채워진 방식 | 주기와 족을 정하는 근거입니다. |
| 전기음성도 | 결합 전자를 끄는 정도 | 주기와 족에 따른 경향의 대표 지표입니다. |
| 금속 반응성 계열 | 금속이 산화되기 쉬운 순서 | 주기율표 위치와 대체로 닮았지만 서로 같은 것이 아닙니다. |
참고 문헌
- Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2018). Inorganic Chemistry (5th ed.). Pearson.
- Greenwood, N. N., & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann.
- Fluck, E. (1988). New notations in the periodic table. Pure and Applied Chemistry, 60(3), 431–436.
- Scerri, E. R. (2007). The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press.
표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.