원자가 전자

교실 자리가 선생님을 가운데 두고 여러 겹의 줄로 놓여 있다고 상상해 볼게요. 안쪽 줄부터 차례로 자리가 채워지고, 줄마다 앉을 수 있는 사람 수도 정해져 있어요. 옆 반 친구가 문을 열고 들어와 손을 내밀 때 그 손이 닿는 사람은 맨 바깥 줄에 앉은 학생들뿐이에요.

원자도 이런 모습에 가까워요. 가운데에 원자핵이 있고, 그 둘레에 전자들이 여러 층으로 나뉘어 퍼져 있어요. 안쪽 층은 이미 꽉 차 있어서 바깥세상과 마주칠 일이 거의 없어요.

다른 원자와 만났을 때 실제로 주고받거나 나눠 갖는 것은 맨 바깥층에 있는 전자뿐이에요. 이 전자들을 원자가 전자라고 불러요. 가장 바깥 껍질에 들어 있는 전자는 최외각 전자라고 부르는데, 보통은 두 말이 같은 전자를 가리키지만 바깥층이 꽉 찬 18족 원소는 예외예요.

바깥 줄에 몇 명이 앉아 있느냐에 따라 원자의 행동이 달라져요. 딱 한 명만 앉아 있으면 그 한 명을 쉽게 내보내요. 나트륨이 그런 원자여서 물에 넣으면 요란하게 반응해요. 바깥 줄의 전자 하나가 원자핵에 약하게 붙들려 있어서 쉽게 떨어져 나가기 때문이에요.

반대로 한 자리만 비어 있으면 남의 전자를 끌어와 채우려고 해요. 소금을 이루는 염소가 그런 쪽이에요. 나트륨이 전자 하나를 내놓고 염소가 그것을 받으면서 둘이 서로 끌어당겨 소금이 만들어져요.

바깥 줄이 이미 꽉 찬 원자는 어떨까요? 굳이 누구와 손을 잡을 이유가 없어서 좀처럼 반응하지 않아요. 헬륨이나 네온 같은 기체가 여기에 해당해요. 이런 원소는 결합에 나설 전자가 없다고 보아 원자가 전자 수를 0으로 세요. 네온은 바깥 껍질에 최외각 전자가 여덟 개 있지만 원자가 전자는 0개예요. 주기율표에서 세로로 같은 줄에 놓인 원소들이 서로 닮은 성질을 보이는 것도 원자가 전자 수가 같기 때문이에요.

교실 자리 그림은 이해를 돕기 위한 비유예요. 전자는 정해진 의자에 얌전히 앉은 구슬이 아니라, 원자핵 둘레 어딘가에 있을 가능성이 퍼져 있는 존재에 가까워요. 다만 층마다 담을 수 있는 전자 수가 정해져 있다는 점은 실제와 잘 맞아요.

바깥 줄이 여덟 자리로 채워진다는 설명도 어디에나 통하지는 않아요. 수소와 헬륨은 가장 안쪽 층에 앉기 때문에 두 자리만으로 꽉 차요. 철이나 구리처럼 주기율표 가운데에 놓인 금속은 안쪽 층까지 반응에 끼어들어서 여러 모습으로 결합해요.

그래도 큰 줄기는 그대로예요. 바깥 줄에 앉은 전자의 수가 그 원소가 어떤 방식으로 반응할지를 앞장서서 정해요. 다만 같은 세로줄이라도 원자 크기에 따라 반응의 세기는 달라요. 주기율표의 세로줄은 원자가 전자 수와, 가로줄은 전자가 들어 있는 층의 수와 관련이 있어요. 처음 보는 원소라도 바깥 줄 사정을 알면 어떻게 행동할지 대강 짐작할 수 있어요.