구리와 크로뮴의 전자배치가 왜 이런건가요?

Question

크로뮴의 전자배치가 4s를 모두 채우지 않고 3d로 넘어가는데 왜 이런건가요? 그리고 구리의 전자배치는 왜 3d를 모두 채운 뒤 4s가 되는건가요?

Answer 1

안녕하세요.

구리와 크로뮴의 전자배치가 표준적인 예상을 벗어나는 배치를 보이는 현상은 전자 구성의 에너지 최적화 원칙에 기초합니다. 이들 원소의 경우, 특정 전자 오비탈 구성이 전체 에너지를 최소화하고 안정성을 증가시키는데 기여합니다.
크로뮴의 경우, 일반적으로 예상할 수 있는 [Ar] 3d⁴ 4s²의 전자배치 대신 [Ar] 3d⁵ 4s¹의 구성을 나타냅니다. 이는 3d 오비탈이 반 채워진 d⁵ 상태가 전자들 사이의 교환 에너지를 최적화하며, 오비탈 대칭성을 향상시키는 결과를 가져오기 때문입니다. 교환 에너지(Exchange Energy) 최적화는 전자 스핀이 최대화된 상태에서 보다 안정된 전자 구조를 형성하게 돕습니다. 결과적으로, 이러한 d⁵ 구성은 전체적인 에너지 최소화에 기여하며, 4s 오비탈의 일부 전자가 3d 오비탈로 이동하게 만드는 원동력이 됩니다.
한편, 구리의 전자배치는 [Ar] 3d¹⁰ 4s¹로, 이 역시 3d 오비탈이 완전히 채워진 d¹⁰ 상태를 나타냅니다. 이 구성은 3d 오비탈의 전자들이 오비탈 내에서 전자간 반발력을 최소화하고, 전체적인 전자 구성의 대칭성을 극대화하는 안정된 상태를 제공합니다. 특히, d¹⁰ 상태는 교환 에너지 및 대칭성 측면에서 최적의 안정성을 제공하므로, 4s²에서 한 개의 전자가 3d 오비탈로 이동하여 3d오비탈을 완전히 채우게 됩니다.
이와 같이, 구리와 크로뮴의 전자배치는 각각 d¹⁰과 d⁵의 안정성을 통해 전자 구성이 결정되며, 이는 에너지 최소화의 원리에 따른 것입니다. 이러한 특성은 화학적 반응성과 물질의 물리적 성질에 중대한 영향을 미치며, 주기율표 내에서 비슷한 전자배치를 갖는 다른 원소들과의 차별점을 명확히 합니다.