순차적 이온화에너지의 정의와 크기 비교

이온화에너지는 기체상태의 중성원자로부터 전자를 떼어낼 때 필요한 에너지를 말합니다.

 

이온화 에너지의 경향성과 예외

이렇게 전자를 하나 제거하여 1가 양이온이 된 후, 전자를 또 하나 떼어낼 수 있는데요. 이때 필요한 제2 이온화 에너지라고 합니다.

자를 하나 더 떼어낼 때 제3 이온화 에너지, 또 하나 떼어낼 때 제4 이온화 에너지, 이런 방식으로 제5, 제6...제n 이온화에너지를 정의할 수 있는데요. 이를 순차적 이온화 에너지(successive ionization energy )라고 합니다.

순차적 이온화 에너지의 크기 비교

예를 들어 알루미늄(Al)의 순차적 이온화 에너지를 반응식으로 설명하면 다음과 같습니다.

Al의 순차적 이온화 에너지

알루미늄의 순차적 이온화에너지 값은 다음과 같고요.

차수	에너지(MJ/mol)
제1 이온화 에너지	0.58
제2 이온화 에너지	1.82
제3 이온화 에너지	2.74
제4 이온화 에너지	11.58
제5 이온화 에너지	14.83
제6 이온화 에너지	18.38
제7 이온화 에너지	23.3
제8 이온화 에너지	27.46
제9 이온화 에너지	31.86
제10 이온화 에너지	38.46

위 표에서 볼 수 있듯이 순차적 이온화 에너지는 차수가 높아질수록 커지게 됩니다.

E₁<E₂<E₃<E₄... 이는 양성자수가 같은 입자에서 전자수가 적을수록 전자 간의 반발력이 줄어 원자핵과의 인력이 강해지기 때문이에요.
다만 여기서 눈에 띄는 부분이 있는데요. 바로 E₃에 비해 E₄가 급격하게 증가한다는 점이에요. E₄라 하면 Al³⁺로부터 전자를 떼어낼 때 필요한 에너지예요. 그런데 전자를 떼기 전 Al³⁺는 옥텟규칙을 만족하는 안정한 전자배치를 하고 있어요. 따러서 여기에서 전자를 제거하려면 상대적으로 많은 에너지가 필요하답니다.
이러한 성질을 이용하면 순차적 이온화 에너지를 이용해 원자가 전자를 알 수 있어요. Al의 경우 E₄가 급격하게 커지는 걸로 보아 원자가 전자가 3개인거지요.

순차적 이온화에너지의 주기성

그렇다면 원자 번호에 따라 순차적 이온화 에너지가 어떻게 달라지는지 그 주기적 경향성을 알아볼게요.

2주기 원소의 제1~제3 이온화 에너지

2주기 원소의 순차적 이온화 에너지 그래프를 살펴보면 차수가 높아질수록 이온화 에너지가 커짐을 알 수 있습니다. 이는 원자핵의 전하는 그대로이지만 전자수가 감소함으로 인해 전자를 떼어내기가 어렵기 때문입니다.

같은 주기에서 원자 번호가 커질수록 이온화 에너지가 어떻게 달라지는지 살펴보면 전반적으로 증가하는 경향을 볼 수 있습니다. 이는 양성자수의 증가로 인해 유효핵전하가 커지기 때문입니다.

순차적 이온화에너지의 경향성을 살펴보면 제1 이온화 에너지(E₁)의 경향성이 제2 이온화 에너지(E₂)에서도 비슷하게 나타남을 볼 수 있습니다. 다만, 1~18족이 아닌 2~18족(1족 제외)에서 비슷한 경향이 나타남을 볼 수 있습니다. 마찬가지로 제3 이온화 에너지(E₃)에서도 13~18족 원소가 비슷한 경향을 보임을 알 수 있습니다.

이는 전자가 하나씩 제거됨에 따라 전자배치가 앞번호의 원소를 따르기 때문인데요, 예를 들면 Be⁺의 전자배치는 원자번호가 하나 작은 Li의 전자배치를 하기 있기 때문이에요.

다만 전반적인 경향성을 따를 뿐 일치하지 않음을 주의하세요. 예를 들면 17족 18족 원소의 제3 이온화 에너지는 역전이 되지 않습니다.(F^2-와 Ne^2-의 전자배치는 N와 O의 전자배치를 하고 있음에도 불구하고...)