등전자성(영어: Isoelectronicity)은 화학에서 두 개 이상의 화학종(원자, 이온, 분자)이 동일한 수의 전자 또는 동일한 전자 배열을 가지는 현상을 가리키는 개념이다. 이 용어는 화학 결합론과 양자화학에서 널리 사용되며, IUPAC(국제순수·응용화학연합) 골드북에 공식적으로 정의되어 있다.
정의
등전자성의 정의는 두 가지 수준으로 나뉜다. 엄격한 정의에 따르면, 두 개 이상의 화학종이 동일한 화학 구조(원자 간의 위치 및 연결성)와 동일한 전자 배열을 가지지만, 구조 내 특정 위치에 있는 원소만 다른 경우를 등전자성이라고 한다. 이는 원자가 등전자성(valence isoelectronicity)이라고도 불린다. 보다 덜 엄격한 정의는 총 전자 수와 그에 따른 전체 전자 배열의 동일성만을 요구하기도 하며, 이 경우 비교 대상인 화학종의 원자 수가 다를 수도 있다.
의의
등전자성 개념의 중요성은 서로 연관된 화학종들을 식별하는 데 있다. 등전자성 화학종들은 물리적·화학적 성질에서 유용한 일관성과 예측 가능성을 보이는 경향이 있으므로, 이미 특성이 파악된 화합물과 등전자성 관계에 있는 화합물을 식별하는 것은 해당 화합물의 가능한 성질 및 반응성에 대한 중요한 단서를 제공한다. 다만 등전자성 화학종 간에도 원자 전기 음성도와 같은 속성의 차이는 반응성에 영향을 미칠 수 있다.
예시
- 질소 원자(N)와 산소 이온(O⁺)은 각각 5개의 원자가 전자를 가지며 [He] 2s² 2p³의 동일한 전자 배열을 가지므로 등전자성이다.
- 일산화 탄소(CO), 시안화 이온(CN⁻), 질소 분자(N₂), 나이트로소늄 이온(NO⁺)은 각각 두 개의 원자가 삼중 결합으로 연결되어 있고 유사한 전자 배열을 가지므로 서로 등전자성이다.
- 칼륨 양이온(K⁺), 칼슘 양이온(Ca²⁺), 스칸듐 양이온(Sc³⁺), 염화물 음이온(Cl⁻), 황화물 음이온(S²⁻), 인화물 음이온(P³⁻)은 모두 아르곤 원자(Ar)와 등전자성이다.
- 아미노산인 세린, 시스테인, 셀레노시스테인은 곁사슬의 한 위치에 존재하는 칼코겐 원소만 다를 뿐 서로 등전자성이다.
- 수소화 헬륨 이온(HeH⁺)은 수소 분자(H₂)와 등전자성이다.
- 오존(O₃)은 아질산 음이온(NO₂⁻)과 등전자성이다.
- 양자역학에서 리튬 이온(Li²⁺)과 같이 전자가 하나만 있는 이온은 수소 원자와 등전자성으로 설명되며, 이러한 계를 수소형 원자(hydrogen-like atom)라고 부른다.
등전자성이 아닌 예
아세톤(CH₃COCH₃)과 아조메테인(CH₃N₂CH₃)은 같은 수의 전자를 가지고 있지만 분자 구조가 동일하지 않으므로 등전자성이 아니다.
관련 개념
등전자성 이온들(isoelectronic series)의 경우, 원자 번호(양성자 수, 즉 핵전하)가 증가할수록 유효 핵전하가 커져 전자를 더 강하게 끌어당기므로 이온 반지름이 감소하는 경향을 보인다. 예를 들어, 모두 10개의 전자를 갖는 등전자성 이온들인 O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ 중에서 원자 번호가 가장 큰 Al³⁺의 이온 반지름이 가장 작다.
