Ⅱ-2. 원소의 주기적 성질

07. 원소의 주기적 성질

정답과 해설

[정답] ④

ㄴ. C와 D는 같은 주기 원소이므로 전자껍질 수는 같지만 핵전하량은 C<D이므로 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 C<D이다.

해설

ㄷ. B는 원자가 전자가 6개이므로 안정한 이온이 될 때 전자 2개를 얻어 B2-이 된다.

ㄱ. C와 A의 원자가 전자 수는 1개로 같다.

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[정답] ⑤

A~D의 제1 이온화 에너지는 D > C> B > A이므로 ㉠~㉣은 각각 C, D, B, A이다.

해설

ㄱ. A~D는 각각 ㉣, ㉢, ㉠, ㉡이다.

ㄴ. ㉠과 ㉡은 2주기 원소이므로 C와 D는 같은 주기 원소이다.

ㄷ. A는 13족 원소이고, B는 2족 원소이다. 제2 이온화 에너지는 A > B이고, 제3 이온화 에너지는 B > A이므로

[eqn: {제3``이온화`에너지} over {제2``이온화`에너지}]는 B > A이다.

[정답] ①

원자 반지름은 같은 주기인 경우 원자 번호가 증가할수록 작아지며, 같은 족인 경우 원자 번호가 증가할수록 커진다. 따라서 2주기 원소인 N, O, F의 원자 반지름은 [eqn: rm N>O>F] 순이고, 3주기 원소인 Na, Mg, Al의 원자 반지름은 [eqn: rm Na>Mg>Al] 순이다. 또한 3주기 원소의 원자 반지름은 2주기 원소보다 크다. 따라서 원자 반지름은 [eqn: rm Na>Mg>Al >> N>O>F] 순이므로, 원자 반지름은 나타내는 그래프는 (가)이다.

해설

유효 핵전하는 같은 족인 경우 원자 번호가 증가할수록 커지며, 같은 주기인 경우 원자 번호가 증가할수록 커진다. 따라서 유효 핵전하를 나타내는 그래프는 (나)이다.

Ne의 전자 배치를 갖는 이온은 [eqn: rm N ^{ 3-},O ^{ 2-}, F ^{ 2}], [eqn: rm Na ^{+} ,`Mg ^{2+} ,`Al ^{3+}]이다. 이들은 전자껍질 수와 전자 수가 같지만 원자 번호가 증가할수록 유효 핵전하량이 증가하므로 이온 반지름이 작아진다. 따라서 이온 반지름을 나타내는 그래프는 (다)이다.

[정답] ⑤

자료 분석 결과 주어진 이온은 모두 전자가 같은 등전자 이온이고, 등전자 이온에서 각 이온의 반지름은 핵 전하량이 작을수록 크다. 이로부터 철수가 세운 가설은 등전자 이온에서 반지름에 영향을 주는 원자핵의 전하량과 관련된 것임을 알 수 있다. 따라서 철수의 가설은 ‘원자핵의 전하량이 클수록 전자 수가 같은 이온의 반지름은 작아진다.’가 가장 적절하다.

해설

[정답] ④

A는 2주기, B는 3주기 원소로서 A의 원자 반지름이 B보다 크므로 A는 2주기 금속 원소인 1, 2족에 포함된 원소이고, B는 3주기 비금속 원소로서 15, 16, 17족 원소 중 하나이다. 한편 금속 원소의 경우 양이온이 되면 이온 반지름이 원자 반지름보다 작게 나타나는데 반해 비금속 원소의 경우 음이온이 되면 이온 반지름이 원자 반지름보다 크게 나타난다. 따라서 ㉠은 금속 원소의 양이온에 해당하는 이온 반지름이고, ㉡은 비금속 원소의 음이온에 해당하는 이온 반지름이다.

해설

ㄱ. A는 2주기 금속 원소, B는 3주기 비금속 원소이므로 원자가 전자 수는 B가 A보다 크다.

ㄷ. ㉠은 금속 원소인 A에 해당하는 이온 반지름이고, ㉡은 비금속 원소인 B에 해당하는 이온 반지름이다.

ㄴ. A가 안정한 양이온이 되면 헬륨(He)의 전자 배치를 하게 되고, B가 안정한 음이온이 되면 아르곤(Ar)의 전자 배치를 하게 된다.

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[정답] ⑤

Ne과 같은 전자 배치를 갖는 이온(등전자 이온)의 반지름은 원자 번호가 클수록 작다. 따라서 이온 반지름은 [eqn: rmMg ^{ 2+}]<[eqn: rmNa ^{ +}]< [eqn: rmF^-}]< [eqn: rmO^2-}]이므로 A는 Na, B는 Mg, C는 O, D는 F이다.

해설

ㄴ. 같은 주기에서 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 원자 번호가 클수록 크다. B(Mg)의 원자 번호는 A(Na)보다 크므로 원자가 전자의 유효 핵전하는 B(Mg)가 A(Na)보다 크다.

ㄷ. C는 O, D는 F이므로 모두 2주기 원소이다.

ㄱ. C는 O이다.

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[정답] ②

비금속 원소는 [eqn: {이온`반지름} over {원자`반지름} >1]이고, 금속 원소는 [eqn: {이온`반지름} over {원자`반지름} <1]이다.

해설

그림에서 A와 B는 [eqn: {이온`반지름} over {원자`반지름} <1]이므로 모두 금속 원소이고, C는 [eqn: {이온`반지름} over {원자`반지름} >1]이므로 비금속 원소이다. 따라서 C는 원자 번호가 17인 Cl이다.

4주기 1족과 2족에서 원자 번호가 클수록 이온 반지름이 작고, 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하([eqn: Z ^{*}])가 크므로 원자 번호가 클수록 [eqn: {이온`반지름} over {Z ^{*}}]가 작다. 따라서 A는 원자 번호가 20인 Ca, B는 19인 K이다.

ㄴ. 원자가 전자가 느끼는 [eqn: Z ^{*}]는 원자 번호가 큰 A가 B보다 크다.

ㄱ. 원자 반지름은 K > Ca > Cl이므로 B가 가장 크다.

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ㄷ. B는 K, C는 Cl이므로 1:1로 결합하여 안정한 화합물 KCl을 형성한다.

[정답] ③

원자 반지름은 같은 족에서 원자 번호가 증가할수록 커지고, 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 작아진다.

해설

1족 원소인 Li, Na, K, Rb의 원자 반지름을 조사하여 비교하였고, 17족 원소인 F, Cl, Br, I의 원자 반지름을 조사하여 비교하였으므로 학생 A는 같은 족에서 원자 번호에 따른 원자 반지름의 주기성을 비교하고 가설을 설정하였다. 따라서 학생 A가 세운 가설은 ‘같은 족에서 원자 번호가 클수록 원자 반지름은 커진다.’가 가장 적절하다.

[정답] ⑤

원자 번호 8, 9, 11, 12의 원소는 각각 O, F, Na, Mg이고 이온의 전하는 각각 –2, -1, +1, +2이다. 또한 이온 반지름은 O>F>Na>Mg이므로 [eqn: {이온``반지름}over{|q|}]은 Mg이 가장 작고 F이 가장 크며, 전기 음성도는 B>C이므로 [eqn: {이온``반지름}over{|q|}]은 O>Na이다. 따라서 A는 Mg, B는 O, C는 Na, D는 F이다.

해설

ㄱ. B는 O이므로 이온 반지름이 원자 반지름보다 크다. 따라서 [eqn: {이온``반지름}over{원자``반지름}]>1이다.

ㄴ. B는 O, D는 F이므로 전기 음성도는 D>B이다.

ㄷ. A는 Mg, C는 Na이다. 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 크므로 A가 C보다 크다.

[정답] ⑤

원자의 반지름은 O<Al<Na이고, 이온 반지름은 [eqn: rm Al ^{3+} <Na ^{+} <O ^{2-}]이므로 [eqn: {원자`반지름} over {이온`반지름}]은 O가 가장 작다. 또한, 이온의 전하는 O –2, Na +1, Al +3이므로 [eqn: {이온`반지름} over {LEFT | 이온의`전하 RIGHT |}]은 Al이 가장 작다. 따라서 A는 Al, B는 Na, C는 O이다.

해설

ㄴ. 전자 수가 같은 이온의 반지름은 원자 번호가 작을수록 크므로 C 이온([eqn: rmO ^{2-}])이 A 이온([eqn: rmAl ^{3+}])보다 크다.

ㄷ. 원자가 전자 수는 A(Al) 3, B(Na) 1, C(O) 6이다.

ㄱ. 같은 주기에서 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 원자 번호가 클수록 크므로, 원자 번호가 큰 A(Al)가 B(Na)보다 크다.

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[정답] ④

ㄴ. 원자 번호 15, 16, 17, 19, 20 원소의 이온은 모두 아르곤(Ar)의 전자 배치를 갖는 등전자 이온이다. 등전자 이온은 전자 수가 같으므로 원자핵의 양성자수가 많을수록 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하가 커서 이온 반지름이 작아진다. 따라서 A는 원자 번호 20인 칼슘(Ca)이므로 양이온이 되면 [eqn: rm Ca ^{2+}]([eqn: rm A^{2+}])이 된다.

해설

ㄷ. 전기음성도는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록, 같은 족에서는 원자 번호가 작을수록 크므로 전기음성도는 E인 염소(Cl)가 가장 크다.

ㄱ. 금속 원자는 전자를 잃고 양이온이 되면서 원자 반지름보다 작은 이온 반지름을 갖고, 비금속 원자는 전자를 얻고 음이온이 되면서 원자 반지름보다 큰 이온 반지름을 갖는다. 따라서 (가)는 이온 반지름, (나)는 원자 반지름이다.

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[정답] ②

원자 번호 8~13에 해당하는 원소는 각각 O, F, Ne, Na, Mg, Al이고 이중 홀전자 수가 같은 원소 W, X, Y는 각각 F, Na, Al 중 하나이다. F, Na, Al의 전기 음성도는 F>Al>Na이고, 이온 반지름은 F>Na>Al이다. W~Y에 해당하지 않는 원소 O는 이온 반지름이 6가지 원소 중 가장 크고, 전기 음성도는 F보다 작고 Na, Al보다 크다. Mg은 이온 반지름과 원자 반지름이 Na과 Al의 사이이다. 따라서 W~Z는 각각 F, Na, Al, O이고, ㉠은 이온 반지름, ㉡은 전기 음성도이다.

해설

ㄴ. Z(O), W(F)의 제2 이온화 에너지는 전자 배치가 1[eqn: s]22[eqn: s]22[eqn: p]3인 O+과 전자 배치가 1[eqn: s]22[eqn: s]22[eqn: p]4인 F+에서 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지이므로 15족, 16족 원소의 제1 이온화 에너지의 크기 경향과 같다. 따라서 제2 이온화 에너지는 Z(O)>W(F)이다.

ㄱ. ㉠은 이온 반지름이다.

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ㄷ. 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하가 크다. 따라서 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 Y(Al)>X(Na)이다.

[정답] ④

원자 번호가 15, 16, 19, 20인 원자는 P, S, K, Ca이고 이온 반지름은 P3->S2->K+>Ca2+이다. 따라서 A는 K, B는 P, C는 S, D는 Ca이다.

해설

ㄱ. 주기율표에서 전기 음성도는 오른쪽 위로 갈수록 증가하므로 (단, 18족 원소 제외) C(S) > B(P) > D(Ca) > A(K) 이다. 따라서 (가)는 전기 음성도가 적절하다.

ㄷ. 주기율표에서 원자 반지름은 왼쪽 아래로 갈수록 증가하므로 D(Ca)가 C(S)보다 크다.

ㄴ. 같은 주기에서 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 원자 번호가 클수록 증가하므로 D(Ca)가 A(K)보다 크다.

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[정답] ⑤

각 원자의 바닥상태에서 전자 배치는 다음과 같다.

해설

원소	전자 배치	원자가 전자 수	홀전자 수
[eqn: rm Li]	[eqn: 1s ^{ 2}2s ^{ 1}]	1	1
[eqn: rm C]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{1} 2p _{y} ^{1}]	4	2
[eqn: rm N]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{1} 2p _{y} ^{1} 2p _{z} ^{1}]	5	3
[eqn: rm O]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{2} 2p _{y} ^{1} 2p _{z} ^{1}]	6	2
[eqn: rm F]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{2} 2p _{y} ^{2} 2p _{z} ^{1}]	7	1

바닥상태에서 전자 배치의 홀전자 수가 같은 (가)와 (나)는 [eqn: rm Li]과 [eqn: rm F] 또는 [eqn: rm C]와 [eqn: rm O]이다. 원자 전자 수는 (다)[eqn: >](가)[eqn: >](나)는 [eqn: rm F][eqn: >][eqn: rm O][eqn: >][eqn: rm N][eqn: >][eqn: rm C][eqn: >][eqn: rm Li] 순이며, 제1 이온화 에너지는 [eqn: rm F][eqn: >][eqn: rm N][eqn: >][eqn: rm O][eqn: >][eqn: rm C][eqn: >][eqn: rm Li] 순이다. 따라서 (가)는 [eqn: rm O], (나)는 [eqn: rm C], (다)는 [eqn: rm F], (라)는 [eqn: rm Li], (마)는 [eqn: rm N]이다.

ㄴ. [eqn: rm Li]은 전자 1개를 잃으면 비활성 기체인 [eqn: rm He]과 같은 안정한 전자 배치를 가지므로 두 번째 전자를 떼어 낼 때 매우 큰 에너지가 필요하다. 따라서 [eqn: {제2``이온화``에너지} over {제1``이온화``에너지}]값은 [eqn: rm Li]이 [eqn: rm F]보다 크다.

ㄷ. (가)의 안정한 음이온은 [eqn: rm O ^{ 2-}]이고 (마)의 안정한 음이온은 [eqn: rm N ^{ 3-}]이며, 두 음이온은 모두 [eqn: rm N][eqn: rm e]의 전자 배치와 같다. 전자 수가 같은 이온의 경우 전자껍질 수가 같으므로 핵전하량이 클수록 유효 핵전하가 증가하여 이온 반지름이 작으므로, 이온 반지름은 (마)가 (가)보다 크다.

ㄱ. (나)는 [eqn: rm C]이다.

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[정답] ③

ㄷ. B와 C는 같은 주기 원소이므로 원자 번호가 큰 C의 반지름이 B보다 작다.

해설

ㄱ. 같은 주기에서는 일반적으로 원자 번호가 클수록 이온화 에너지가 증가하지만 예외적으로 16족 원소는 15족 원소보다 이온화 에너지가 작다. 그런데 주어진 그래프에서 16족 원소인 B의 이온화 에너지가 15족 원소인 A보다 크므로 B, C는 2주기, A는 3주기 원소임을 알 수 있다.

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ㄷ. B는 같은 2주기의 15족 원소보다는 이온화 에너지가 작다.

[정답] ④

원자 번호가 연속인 2주기 원소 A~D에서 원자 번호는 D > C > B > A이고, 바닥 상태에서 4개 원자의 홀전자 수의 합이 8이 되려면 홀전자 수가 3개인 원자를 반드시 포함해야 한다.

해설

또 원자 번호는 C가 B보다 크고, 전자가 들어 있는 [eqn: p] 오비탈의 수는 C가 B보다 크므로 C의 전자 배치는 [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{3}]이고, B의 전자 배치는 [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{2}]이어야 한다. 이로부터 각 원자의 바닥상태 전자 배치와 전자 1개를 떼어냈을 때의 전자 배치는 다음과 같다.

원자	바닥상태 전자 배치	전자 1개를 떼어냈을 때의 전자 배치
A	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{1}]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2}]
B	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{2}]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{1}]
C	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{3}]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{2}]
D	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{4}]	[eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{3}]

A~D의 제 2 이온화 에너지는 전자 1개를 떼어냈을 때의 전자 배치에서 전자 1개를 떼어낼 때 필요한 최소 에너지이다. 따라서 제2 이온화 에너지의 크기는 D > C > A > B이다.

[정답] ④

[eqn: rm Li], [eqn: rm Be], [eqn: rm B], [eqn: rm C]의 제1 이온화 에너지는 [eqn: rm Li] < [eqn: rm B] < [eqn: rm Be] < [eqn: rm C] 순이므로 [eqn: a]는 [eqn: rm Li], [eqn: b]는 [eqn: rm B], [eqn: c]는 [eqn: rm Be], [eqn: d]는 [eqn: rm C]이다. 같은 주기에서 원자 반지름은 원자 번호가 증가할수록 커지므로 원자 반지름은 [eqn: rm Li]([eqn: a]) > [eqn: rm Be]([eqn: c]) > [eqn: rm B]([eqn: b]) > [eqn: rm C]([eqn: d]) 순이다.

해설

[정답] ⑤

원자 번호 8~14인 원소는 O, F, Ne, Na, [eqn: rm Mg], Al, Si이다.

해설

그림은 제1 이온화 에너지와 제2 이온화 에너지를 나타낸 것이다.

제2 이온화 에너지의 경향은 제1 이온화 에너지의 경향과 비슷하다. 그러나 제1 이온화 에너지는 2족 > 13족, 15족 > 16족이지만, 제2 이온화 에너지는 13족 > 14족, 16족 > 17족이다. 따라서 제2 이온화 에너지는 [eqn: rm Mg] < Si < Al < F < O < Ne < Na이므로 [eqn: a=rmMg], [eqn: b]=Si, [eqn: c]=Al, [eqn: d]=F, [eqn: e]=O, [eqn: f]=Ne, [eqn: g]=Na이다.

ㄱ. [eqn: c]는 Al이다.

ㄴ. 제1 이온화 에너지가 가장 큰 것은 원자 번호 10인 Ne이므로 [eqn: f]이다.

ㄷ. 같은 주기에서 원자 반지름은 원자 번호가 작을수록 크다. [eqn: d](F)와 [eqn: e](O) 중 원자 반지름은 [eqn: e]가 크고, [eqn: b](Si)와 [eqn: c](Al) 중 원자 반지름은 [eqn: c]가 크므로 원자 반지름은 [eqn: c>b>e>d]이다. 따라서 [eqn: c]와 [eqn: d]의 원자 반지름 차이는 [eqn: b]와 [eqn: e]의 원자 반지름 차이보다 크다.

[정답] ③

1족 원소인 Na은 제1 이온화 에너지를 이용하여 원자가 전자를 떼어내면 18족 원소와 같은 전자 배치를 갖게 되므로 제2 이온화 에너지가 급격히 증가하게 된다. 따라서 O, F, Na 중 Na의 [eqn: {제2``이온화``에너지} over {제1``이온화``에너지}]가 가장 크다. 또한 O, F의 제1 이온화 에너지는 F>O이고, 제2 이온화 에너지는 O>F이므로[eqn: {제2``이온화``에너지} over {제1``이온화``에너지}]는 O가 F보다 크다. 따라서 A는 F, B는 O, C는 Na이다.

해설

ㄱ. C는 Na이다.

ㄴ. 원자가 전자의 유효 핵전하는 원자가 전자에 실제로 작용하는 핵전하인데, 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 원자가 전자의 유효 핵전하는 증가한다. 따라서 원자가 전자의 유효 핵전하는 원자 번호가 큰 A(F)가 B(O)보다 크다.

ㄷ. Ne과 같은 전자 배치를 갖는 A~C이온은 각각 [eqn: rmF ^{ -}], [eqn: rmO ^{2 -}], [eqn: rmNa ^{+}]이다. 전자 수가 같은 이온은 원자 번호가 클수록 원자핵과 전자 사이의 인력이 커 이온 반지름이 작다([eqn: rmNa ^{+}][eqn: rmF ^{ -}]<[eqn: rmO ^{2 -}]). 따라서 이온 반지름은 C 이온이 가장 작다.

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[정답] ③

2주기 원자의 바닥상태 전자 배치에서 홀전자 수는 다음과 같다.

해설

또한 제1 이온화 에너지의 크기는 Li < B < Be < C < O < N < F < Ne이다.

제시된 자료에서 홀전자 수가 2인 Y의 제1 이온화 에너지가 홀전자 수가 1인 X보다 크므로 Y는 14족 원소인 C이다. W~Z의 원자 번호가 연속이므로 W~Z는 Li, Be, B, C 또는 Be, B, C, N 중 하나에 해당된다.

ㄱ. Z의 홀전자 수([eqn: a])가 3이라면 제1 이온화 에너지는 15족 원소인 Z가 14족 원소인 Y보다 커야하므로 제시된 자료에 맞지 않다. 따라서 Z의 홀전자 수([eqn: a])는 1이다.

ㄷ. 제2 이온화 에너지는 같은 주기에서 2족 원소가 가장 작으므로 제2 이온화 에너지는 14족 원소인 Y가 2족 원소인 W보다 크다.

ㄴ. 홀전자 수가 0인 W는 2족 원소이다. 2주기에서 제1 이온화 에너지는 2족 원소인 W가 1족 원소인 X와 13족 원소인 Z보다 크므로 [eqn: b>1.5]이다.

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[정답] ③

학생 A는 ‘3주기에서 원자 번호가 큰 원자일수록 항상 제1 이온화 에너지([eqn: E _{1}])가 크다.’로 가설을 설정하였으므로, 3주기 원소 중 원자 번호가 크지만 제1 이온화 에너지가 작은 원자가 있는지를 확인하여야 한다.

해설

제1 이온화 에너지는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 대체로 증가하지만, 2족과 13족, 15족 16족 원소의 경우 원자 번호가 크지만 제1 이온화 에너지가 작으므로 가설에 어긋나는 비교 결과를 알아보려면 2족과 13족 원소인 (나)와 (다), 15족과 16족 원소인 (마)와 (바)를 비교하여야 한다.

[정답] ⑤

V~Z는 각각 원자 번호 9~13의 원소 중 하나이므로 F, Ne, Na, Mg, Al 중 하나이다. 이들 원소의 제1 이온화 에너지는 Na < Al < Mg < F < Ne이며, 제2 이온화 에너지는 Mg < Al < F < Ne < Na이다. 따라서 V~Z는 각각 Mg, Al, F, Ne, Na이다.

해설

ㄱ. 제2 이온화 에너지가 가장 큰 Z는 Na으로 1족 원소이다.

ㄴ. X는 F, Y는 Ne으로 같은 2주기 원소이다.

ㄷ. 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하가 커진다. W는 Al, V는 Mg이므로 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 W > V이다.

[정답] ③

2, 3주기 원자 중 전자가 들어 있는 [eqn: p] 오비탈 수가 3 이하인 원자는 Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg이고, 이 중 C 원자보다 제1 이온화 에너지가 작은 원자는 Li, Be, B, Na, Mg이며, 홀전자 수는 각각 1, 0, 1, 1, 0이다. 홀전자 수가 0인 Be과 Mg은 같은 족 원소이며, 제1 이온화 에너지는 같은 족에서 원자 번호가 작을수록 크므로 V는 Be, W는 Mg이다. 홀전자 수가 1인 Li, B, Na의 제1 이온화 에너지는 B>Li>Na이므로 X는 B, Y는 Li, Z는 Na이다.

해설

ㄱ. X는 B이므로 13족 원소이다.

ㄷ. X는 B, Y는 Li, Z는 Na이다. X~Z에 제1 이온화 에너지로 전자를 떼어내면 각각 Be, He, Ne과 같은 전자 배치가 되므로 제2 이온화 에너지는 Y>Z>X이다.

ㄴ. W는 Mg, X는 B, V는 Be인데, 원자 반지름은 같은 족에서 원자 번호가 클수록, 같은 주기에서 원자 번호가 작을수록 크므로 원자 반지름은 Mg>Be>B이다. 따라서 원자 반지름은 W>V>X이다

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[정답] ③

③ 15족 원소들은 주기가 커질수록(원자 번호가 커질수록) 제1 이온화 에너지가 작아지고, 16족 원소와 17족 원소에서도 마찬가지 경향을 보인다. 따라서 ㉠은 ‘같은 족에서 원자 번호가 커질수록 제1 이온화 에너지가 작아진다.’가 적절하다.

해설

① 원자량에 대한 자료가 제시되지 않았으며, 2, 3주기 원소에서 원자 번호가 클수록 원자량이 증가함을 유추하더라도 2, 3주기 원소의 제1 이온화 에너지의 크기가 15족 원소>16족 원소이므로 가설로 적절하지 않다.

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② 2, 3주기에서 원자 번호가 큰 16족 원소의 제1 이온화 에너지가 15족 원소보다 작으며, 같은 족에서 원자 번호가 클수록 제1 이온화 에너지가 작아지므로 가설로 적절하지 않다.

④ 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 유효 핵전하가 증가하지만 2, 3주기에서 제1 이온화 에너지는 15족 원소>16족 원소이므로 가설로 적절하지 않다.

⑤ 2, 3주기에서 원자가 전자 수가 큰 16족 원소의 제1 이온화 에너지가 15족 원소보다 작으므로 가설로 적절하지 않다.

[정답] ⑤

제1 이온화 에너지에 대한 비([eqn: rm {E _{n}} over {E _{1}}])에 [eqn: rm E _{ 1}]를 곱하면 각 차수의 이온화 에너지이므로, [eqn: rm E _{ 1}]에 대한 비는 각 차수의 이온화 에너지에 비례한다.

해설

ㄴ. B는 [eqn: rm E _{3}]에서 순차적 이온화 에너지가 급격하게 증가하였으므로 원자가 전자 수는 2개인 2족 원소 Mg이다. C는 [eqn: rm E _{ 1}]에서 순차적 이온화 에너지가 급격하게 증가하였으므로 원자가 전자 수가 3개인 13족 원소 Al이다. B의 Mg과 C의 Al은 3주기 금속 원소로, 전자를 잃어 안정한 이온이 되면 2주기 18족 원소인 Ne과 같은 전자 배치를 한다.

ㄷ. 기체 상태의 중성 원자에서 전자를 순차적으로 떼어 내면 원자가 전자 수가 감소하면서 전자 사이의 반발력이 감소하고 유효 핵전하가 증가하므로 전자를 떼어내기가 점점 어려워진다. 따라서 이온화 에너지는 순차적으로 증가하므로 [eqn: rm E _{3}]가 [eqn: rm E _{2}]보다 더 크다.

ㄱ. A는 [eqn: rm E _{2}]에서 순차적 이온화 에너지가 급격하게 증가하였으므로 원자가 전자 수가 1개이며, 1족 원소이다.

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[정답] ⑤

A~D는 원자 번호가 연속인 2, 3주기 원소이므로 2주기 비금속 원소와 3주기 금속 원소이다.

해설

A는 [eqn: E_{ 2} << E _{ 3}]이므로 2족 원소이고, D는 [eqn: E_{ 1} << E _{ 2}]이므로 1족 원소이다. B는 A보다 [eqn: E_{ 1}]가 작으므로 13족 원소이다(같은 주기에서 13족 원소는 2족 원소보다 원자 번호는 크지만 제1 이온화 에너지는 작다.). C는 [eqn: E_{ 1}]가 다른 원소들에 비해 매우 크고, 다른 원소들이 금속 원소이므로 2주기 비금속 원소이다.

ㄴ. A는 3주기 2족 원소이고, D는 3주기 1족 원소이다. 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 커지므로 A가 D보다 크다.

ㄷ. 3주기 원소는 A, B, D 3가지이다.

ㄱ. A는 2족 원소이므로 옥텟 규칙을 만족하는 이온이 되기 위해서는 전자 2개를 잃어야 한다. 이때 필요한 에너지는 [eqn: E_{ 1}+ E _{ 2}](=[eqn: E_{ a}])이므로 [eqn: E_{ a}]보다 크다.

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[정답] ④

2주기 원소에 대한 제1 이온화 에너지 크기는 1족<13족<2족<14족<16족<15족<17족<18족 순이다. 한편 1족 원소의 원자는 전자 1개를 잃으면 비활성 기체의 전자 배치를 가지게 되므로 제2 이온화 에너지가 크게 나타난다.

해설

제1 이온화 에너지의 크기로 볼 때 X, Y, Z는 1족, 2족, 13족 원소이거나 14족, 15족, 16족 원소에 해당된다. 제2 이온화 에너지의 경우 1족 원소가 2족에 비해 크게 나타나야 하는 반면, 주어진 자료에서 제2 이온화 에너지의 크기는 X<Y<Z 순이므로 이들은 14족, 15족, 16족 원소인 C, N, O임을 알 수 있다.

[정답] ③

순차적 이온화 에너지로 전자를 떼어낼 때 원자가 전자를 모두 떼어 낸 후, 그 다음 전자를 떼어 낼 때는 안쪽 전자 껍질에서 전자가 떨어지게 되어 순차적 이온화 에너지가 급격히 증가하게 된다.

해설

ㄱ. 순차적 이온화 에너지가 급격히 증가하기 직전까지 떼어 낸 전자 수는 원자가 전자 수와 같으므로, 원자가 전자 수가 [eqn: x]일 때 제[eqn: x+1] 이온화 에너지는 급격히 증가한다.

ㄴ. 원자에서 전자를 떼어 낼수록 전자 수가 감소하므로 남아 있는 전자의 유효 핵전하가 증가하여 전자를 떼어 내기 어려워진다. 따라서 순차적 이온화 에너지는 차수가 커질수록 증가하므로 Be의 순차적 이온화 에너지는 [eqn: E _{3} `>E _{2} `]이다.

ㄷ. 제시된 실험의 탐구결과에서 알 수 있듯이, [eqn: {E _{n+1}} over {E _{n}}]가 최대일 때의 [eqn: n]은 원자가 전자 수와 같으므로 [eqn: {E _{n+1}} over {E _{n}}]가 최대인 [eqn: n]이 6인 원자의 원자가 전자 수는 6이다.

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[정답] ①

원자 번호가 3, 4, 11, 12, 13인 원소는 각각 Li, Be, Na, Mg, Al이다. 2주기에서 제1 이온화 에너지는 Li < Be이고, 3주기에서 제1 이온화 에너지는 Na < Al < Mg이다. 제2 이온화 에너지는 1족 원소인 Li, Na이 나머지 원소보다 크고, 원자 번호가 작은 Li이 Na보다 제2 이온화 에너지가 크다. A는 Li, B는 Na이다. Mg과 같은 족이지만 원자 번호가 작은 Be이 Mg보다 제1 이온화 에너지가 크므로 제1 이온화 에너지는 Al < Mg < Be이다. C~E는 각각 Al, Mg, Be이다.

해설

ㄱ. 원자 번호는 B(Na)가 A(Li)보다 크다.

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ㄴ. D(Mg)는 3주기 원소, E(Be)는 2주기 원소이다.

ㄷ. [eqn: {제3``이온화`에너지} over {제2``이온화`에너지}]는 원자가 전자 수가 2인 2족 원소가 다른 원소보다 크다. C(Al)는 원자가 전자 수가 3, D(Mg)는 원자가 전자 수가 2이므로 [eqn: {제3``이온화`에너지} over {제2``이온화`에너지}]는 D(Mg)가 C(Al)보다 크다.

[정답] ⑤

원자가 전자의 유효 핵전하는 원자가 전자에 실제로 작용하는 핵전하인데, 안쪽 전자껍질에 있는 전자에 의해 원자핵이 가려지므로 유효 핵전하는 핵전하보다 작다. 또한 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 핵전하와 원자가 전자의 유효 핵전하는 모두 증가한다.

해설

ㄴ. 바닥상태 전자 배치에서 홀전자 수가 2인 2주기 원자는 C, O이고, [eqn: Z-Z ^{*}]가 C>D이므로 C는 산소(O), D는 탄소(C)이다. 홀전자 수가 3인 2주기 원자는 N이므로 E는 질소(N)이다. 따라서 제1 이온화 에너지는 E(N)가 C(O)보다 크다.

ㄷ. 바닥상태 전자 배치에서 전자가 들어 있는 오비탈의 수는  [eqn: rm B(Li`:`1s ^{2} 2s ^{1} )] 2, [eqn: rm D(C`:`1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{it x} ^{1} 2p _{it y} ^{1} )] 4이므로 D가 B의 2배이다.

ㄱ. (가)에서 원자 번호가 증가할수록 [eqn: Z-Z ^{*}]가 커지므로 [eqn: Z-Z ^{*}]가 가장 큰 원자는 플루오린(F)이다. 그런데 A의 [eqn: Z-Z ^{*}]은 C, D, E보다 작으므로 플루오린(F)이 아니다. 2주기 원자 중 바닥상태 전자 배치에서 홀전자 수가 1인 원자는 Li, B, F 중 하나인데 [eqn: Z-Z ^{*}]은 F>B>Li이므로 A는 붕소(B)이다.

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[정답] ④

B는 A보다 총 전자 수가 3만큼 증가하지만 원자가 전자 수는 5만큼 감소하므로 A는 2주기 원소, B는 3주기 원소이다. C는 B보다 총 전자 수와 원자가 전자 수가 모두 4만큼 증가하므로 3주

해설

기 원소이다. 원자가 전자 수와 홀전자 수가 같은 원소는 1족 원소이므로 B는 3주기 1족 원소인 Na이고, [eqn: x]=5이다. A는 총 전자 수가 8인 O이고, C는 총 전자 수가 15인 P이다.

ㄱ. 원자 반지름은 3주기 원소인 B(Na)가 2주기 원소인 A(O)보다 크다.

ㄷ. 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 커지므로 C(P)가 B(Na)보다 크다.

ㄴ. 주기율표에서 전기 음성도는 오른쪽 위로 갈수록 크므로 A(O)가 C(P)보다 크다.

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[정답] ③

ㄱ. 구간 (가)의 원소는 원자 번호 1~18에 이르는 것으로, 제1 이온화 에너지가 가장 큰 원소는 원자 번호 2인 헬륨(He)이다.

해설

ㄷ. 원자 번호 36인 원소 A의 밀도는 거의 0에 가까우므로 기체 상태임을 알 수 있으며, 원자 번호 20이후의 원소 중 기체 상태로 존재하는 것은 1원자 분자로 존재하는 18족에 해당한다.

ㄴ. 원자 번호 1~40까지의 원소 중 17족 원소는 [eqn: rm _{9} rm F], [eqn: rm _{17} rm Cl], [eqn: rm _{35} rm Br]에 해당한다. 이때 [eqn: rm _{35} rm Br]의 밀도는 3 g/㎤보다 조금 크므로 기체가 아님을 알 수 있다.

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