알칼리 금속의 주요 성질을 설명하고, 이러한 성질이 주기율표에서 원자 번호가 증가함에 따라 어떻게 변화하는지 궁금합니다.

Question

알칼리 금속은 주기율표 1족에 속하며, 모두 하나의 원자가 전자를 가지고 있어 높은 반응성을 보입니다. 알칼리 금속의 주요 성질을 설명하고, 이러한 성질이 주기율표에서 원자 번호가 증가함에 따라 어떻게 변화하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

알칼리 금속은 주기율표의 1족에 속하는 원소들로, 수소를 제외한 리튬, 나트륨, 칼륨 등이 포함됩니다. 이들의 가장 큰 특징은 원자가 전자가 단 하나뿐이라는 점입니다. 이 전자 하나를 버리고 안정적인 이온 상태가 되려는 성질이 매우 강하기 때문에 자연계의 금속 중 반응성이 가장 높은 축에 속합니다. 공기 중의 산소와 만나면 금방 광택을 잃고 산화되며, 물과 닿으면 격렬하게 반응하며 수소 기체를 발생시킵니다. 물리적으로는 금속임에도 불구하고 칼로 쉽게 잘릴 정도로 무르고 밀도가 낮다는 독특한 성질을 보입니다.

​주기율표에서 원자 번호가 증가하며 아래로 내려갈수록 이러한 성질은 일정한 규칙성을 가지고 변화합니다. 가장 눈에 띄는 변화는 반응성의 증가입니다. 원자 번호가 커질수록 전자 껍질 수가 늘어나는데, 이로 인해 원자핵과 가장 바깥쪽 전자 사이의 거리가 멀어집니다. 핵이 전자를 붙드는 힘이 약해지니 전자를 떼어내기가 훨씬 쉬워지고, 결과적으로 아래쪽 원소일수록 물이나 산소와 더 폭발적으로 반응하게 됩니다.

​반면 녹는점과 끓는점은 원자 번호가 커질수록 오히려 낮아지는 경향을 보입니다. 원자의 크기가 커질수록 금속 원자 사이의 결합력이 상대적으로 약해지기 때문입니다. 이처럼 알칼리 금속은 전자 껍질의 증가라는 구조적 변화에 따라 화학적 활성도는 높아지고 물리적 결합력은 약해지는 뚜렷한 주기성을 잘 보여줍니다.

Answer 2

안녕하세요.

주기율표의 1족에 해당하는 알칼리 금속은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)으로 이루어진 원소 집단인데요, 알칼리 금속은 모두 최외각 전자가 1개만 존재합니다. 따라서 전자를 내놓고 +1 이온이 되려는 경향이 매우 강하기 때문에 반응성이 극도로 높아서 공기 중의 산소나 수분과도 즉각 반응하고, 물과 만나면 수소 기체를 내뿜으며 격렬하게 반응합니다. 또한 금속임에도 불구하고 칼로 자를 수 있을 만큼 무르고, 밀도가 낮아 리튬, 나트륨, 칼륨은 물에 뜰 정도로 가볍고, 불꽃 반응에서 각각 특유의 색을 내는 것도 알칼리 금속의 잘 알려진 특징인데, 리튬은 빨간색, 나트륨은 노란색, 칼륨은 보라색을 띱니다.

원자 번호가 증가할수록 변하는 성질은 원자 반지름이 커지는 것으로 설명이 가능한데요, 원자 번호가 커질수록 전자 껍질이 하나씩 추가되면서 원자 크기가 커지고, 핵과 최외각 전자 사이의 거리가 멀어집니다. 또한 안쪽 전자들이 핵의 인력을 가리는 차폐 효과도 커져서 최외각 전자가 핵에 붙들리는 힘이 점점 약해집니다. 이때 반응성은 원자 번호가 커질수록 급격히 증가하는데요, 즉 리튬은 물과 반응하지만 비교적 차분한 편이고, 나트륨은 빠르게 반응하며 칼륨은 보라색 불꽃을 내며 격렬히 반응합니다. 루비듐과 세슘은 물과 접촉하는 순간 폭발적으로 반응할 정도로 위험합니다. 이온화 에너지는 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지를 말하며 반대로 원자 번호가 커질수록 낮아지는데요, 최외각 전자가 핵으로부터 멀고 느슨하게 붙어있을수록 떼어내기 쉬워지기 때문입니다. 녹는점과 끓는점도 원자 번호가 증가할수록 낮아지는 경향을 보이는데요, 리튬의 녹는점은 약 181℃인 반면 세슘은 약 28.5℃로, 실온에 가까운 온도에서 액체 상태가 됩니다. 밀도는 반대로 원자 번호가 커질수록 증가하는데, 원자 질량이 커지는 속도가 원자 부피가 커지는 속도보다 빠르기 때문입니다. 감사합니다.