태양광 원리의 기초!! 최외각 전자 심화 - 오비탈

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이 번 내용은 지난 번 기사 '태양광원리 기초, 최외각 전자'에 대한 심화된 내용을 다룰까 합니다. ^^

태양전지는 보통 Si 원소로 이루어진 실리콘계 태양전지가 대부분인데요. 최근에는, Si 주변 원소인 3족과 5족으로 또는 2족과 6족으로 이루어진 결합의 화합물 태양전지가 각광을 받고 있어요. 한마디로, 원소의 다양한 조합으로 다양한 특성을 지닌 태양전지를 만들 수 있습니다. 그 중 CIGS가 대표적인 예 입니다. 정공과 전자, 도핑 등을 알기 위해서는 최외각 전자에 대한 이해가 필수인데요, 이 번 기사는 그 심화내용인 오비탈에 대해 다루어 보도록 하겠습니다.   

특히, 저 번 기사의 마지막부분인 test에 대해 받은 질문으로 시작하겠습니다. test의 목표가 주어진 전자배치표를 활용하여 최외각전자수를 파악하는 것이었다면, 이 번 기사는 그 것을 가능하게 했던 전자배치를 해보는 법에 대해 알아보겠습니다. 이로써 왜 인듐이 5족인지를 설명하고자 합니다.

 

<저 번 기사 마지막 test 문제>

Q1) 게르마늄(Ge)의 최외각 전자수는 몇 개일까용? 총 전자 수는? 몇 족일까 ?

가.최외각전자수 : 4개

나.총전자수 : 32개

다.족 : 4족(14족)

Q2) 인듐(In)의 최외각 전자수는 몇 개일까용? 총 원자핵 수는? 몇 주기일까 ? 전자배치도에 따르면

가.최외각전자수 : 3개

나.총원자수 : 49개

다.주기 : 5주기

 

질문) <제게 메일을 보내주신 분께서 해주신 질문입니다.>

인듐의 원자번호는 49이고 각주기별 최대전자수는

1주기 2

2주기 8

3주기 18

4주기 32

5주기 50

6주기 72

7주기 98

이므로 인듐의 원자번호 49 전자의 수 또한 49개

그러면 2 8 18 32 에서 전자가 다 차서  4주기가아닙니까?

최외각전자에 3주기까지 28개 나머지 21개로 족은 21족아닌가요?

 

그럼 시작할까요? 

 

전자배치에 관한 내용은 양파껍질이 아닌, 그 안에 있는 오비탈로 부터 시작합니다. 전자배치표를 보면 원소의 전자배치에 알파벳 s도 있고, p도 있고, d도 있습니다, 이것이 나타내는 것이 오비탈입니다. 즉, 전자배치를 하기위해서는 양파껍질뿐 아니라 그 안에 존재하고 있는 방인 오비탈에 대해서 알아야 하는 것이죠. 

껍질 안에 들어있는 오비탈 말이죠!

 

<전자배치표>

(출처 : 구글)

 

* 오비탈은 다양한 모양의 형태를 가진 방을 말한다!

오비탈이란? 각 양파 껍질안에 존재하는 다양한 모양과 형태를 가진, 세분화된 방이라 볼 수 있습니다. 아래의 그림은 여러 형태의 오비탈 모양을 보여주고 있습니다.

(자료 : 구글)

 

전자배치표에서 볼 수 있었던 알파벳들이 바로 이 오비탈들 이었던 것이죠.

아파트가 다양한 방 갯수, 크기, 형태의 집이 있듯이 오비탈 역시 특정 수의 방과 모양, 크기를 가집니다.

s는 방 하나

p는 방 셋

d는 방 다섯

f 는 방 일곱

...

(f 이후로는 사실상 의미가 별로 없으므로 생략하겠습니당.)

 

이때, 각 오비탈 방마다 최대 두 개의 전자가 들어갈 수 있습니다. 계산해보면, 각 오비탈 방마다 최대 들어갈 수 있는 전자수는 아래와 같죠.

s   (2)

p   (6)

d   (10)

f    (14)

....

 

* 양파껍질은 각 방의 모임이 누적되어 이루어진다.  

 제가 말씀드린 각 양파 껍질은 이런 오비탈 방들이 순서로 누적되어 이루어지죠,,    즉,

(1껍질)     (2껍질)       (3껍질)       (4껍질)...

   1s       /   2s2p    /   3s3p3d    /  4s4p4d4f  /...            '/ 슬러쉬'가 껍질을 나누는 기준이되죠.

 

여기서 껍질에 올 수 있는 최대 전자수 공식이 나오죠!!.  

1껍질 = 1s= 1x2 = 2

2껍질 = 2s2p = 1x2 + 3x2 = 8

3껍질 = 3s3p3d= 1x2 + 3x2 + 5x2 = 18

4껍질 = 4s4p4d4f = 1x2 + 3x2 + 5x2 + 7x2 = 32

.... 하지만, 이렇게 규칙적으로 전자가 배치된다면 전자배치가 누워서 떡먹기겠죠!

문제는,, 오비탈방이 껍질이 커짐에 따라 커지므로 서로 내 집이 더 크다며 반발을 불러일으키죠.

그래서 방의 순서가 역전됩니다.

 

* 오비탈 크기에 대한 반발로 배치 순서가!!  

현실적으로는,

1s/2s2p/3s3p3d/4s4p4d4f/5s5p...   순서가 아닌

1s/2s2p/3s3p/4s3d4p/5s.. 로 나타나게 됩니다.

밑줄 부분만 보더라도 순서가 뒤바껴 있는 것을 볼 수 있습니다. 3d방이 4s보다 커서 서로 반발되어 역전되었죠.

 

 

* 껍질간 텃세로 인해 바뀐 순서의 재배치, 어떻게 알아낼까?

오비탈끼리의 반발로 인한 순서 배치의 일탈은, 일반화학 책이나 전자배치 규칙을 찾아보면 아실 수 있습니다.  읽는 방법을 간단히 설명하자면, 우선 각 껍질마다의 오비탈 방을 아래처럼 한 줄씩 나란히 쫙 써놓습니다. 그런 다음 대각선 아래 방향으로 그 순서를 읽으면 텃세로 인한 오비탈 방끼리의 역전 순서가 나옵니다.

 

위의 빨간 대각선 아래로 향하는 순서로 읽어보면 아래와같은 전자 오비탈 배치 순서가 나오게 됩니다.

(자료: 구글)

각 알파벳의 지수는, 각 알파벳 오비탈에 맞는 최대 전자가 올 수 있는 숫자. (제가 위에서 말씀드린 '알파벳 방 x 2 개의 전자' 입니다.)

각 알파펫의 오른쪽 지수 밑 숫자는, 그렇게 해서 나타난 누적합계한 전자의 숫자로,,,

만약 인듐의 원자 번호만 알면 위의 누적 숫자를 보고 대충 어디에 인듐의 마지막 전자가 올지 추측이 가능하죠.

 

 

* 인듐의 전자배치는?

제게 질문을 하셨던 질문자의 질문에 맞춰 답변을 해보면,,, (많은 분들이 헷갈려 하실 만한 질문이므로,,,^^)

 

인듐이 원자번호가 49번이니깐, 그 전자배치는,,,

가 되겠죠.

 

이로써 5가 보이는 5주기임을 확실할 수 있는 것입니다. 즉, 껍질로만 따져보았던 원래의 순서대로 질문자 말대로 인듐은 4주기 이겠죠. 하지만, 실제로는 5s와 5p가 4f보다 먼저 나와서 껍질의 순서가 역전되었기에 즉, 4f보다 먼저 5껍질의 전자가 먼저 채워짐으로써 인듐은 5주기가 됩니다. 4f는 뒤에서 언젠가 채워지겠죠.

 

* 저 번 기사와 차이라면,,,

저번 기사가 이미 배치된 '전자배치표'만을 보고 바로 최외각 전자수를 찾는 법이었다면, 이 번은 실제로 '전자배치'를 해보고 최외각 전자 수를 알아낸다는 차이가 있습니다. 

은 껍질의 번호로 껍질에 올 수 있는 최대 전자수를 예측하기 위한 도구이지만, (실제로도 맞구요!)

이 것으로만 최외각 전자수를 알기에는 부족합니다. 껍질 내부에 있는 오비탈을 고려해야 진정한 최외각 전자 수에 대한 이해할 수 있죠. 

왜냐하면, 전자가 채워질 때 원자번호가 클수록 특정의 오비탈간의 반발로 겉껕질에 전자가 먼저 채워지고 안에 채워지는 현상이 나타나게 되면서 인듐이 4주기가 아닌 5주기가 되게 되죠. 

 

이것이 3주기 까지는 뚜렷하지 않으나 그 뒤로는 강하게 나타나게 되고 그로 인해 오비탈 반발로 전자배치에 대한 불규칙이 나타나게 됩니다. 어렵게 느껴지실 수도 있지만, 포인트는 오비탈끼리의 반발에 의한 순서들인 대각선사선의 순서를 우선 이해하고, 그 다음 실제로 전자배치를 해본 뒤 최외각 전자수를 알아내는 것입니다. (물론, C나 Cu 또는 몇 금속들은 방 내부의 전자쌍반발로 인한 예외가 있긴 합니다. 논외로 하겠습니다.)

아무쪼록, 전자배치표를 통해 최외각 전자수를 알든, 실제로 전자배치를 해서 최외각 전자수를 알든 태양전지 원리에 대한 심도있는 이해가 되길 바랍니다.  

 

 

 

S.F. JJ