헬륨(He)이 2개의 전자만 가지고 있는 이유

헬륨(He)은 주기율표에서 원자번호 2번을 가지며, 단 2개의 전자만을 보유하고 있는 비활성 기체입니다. 다른 비활성 기체(네온, 아르곤 등)는 8개의 원자가 전자를 가져 안정한 옥텟(Octet) 구조를 이루지만, 헬륨은 단 2개의 전자만으로 안정한 상태를 유지합니다. 그렇다면 왜 헬륨은 2개의 전자만 가지고 있을까요? 이번 글에서는 헬륨의 전자 배치와 안정성에 대해 알아보겠습니다.

헬륨의 전자 배치

원자의 전자는 특정한 에너지 준위를 따라 배치됩니다. 가장 안정한 상태를 이루는 전자 배치를 기저 상태(Ground State)라고 하며, 전자들은 다음과 같은 원칙에 따라 배열됩니다.

• 파울리의 배타 원리(Pauli Exclusion Principle): 하나의 오비탈에는 최대 2개의 전자만 들어갈 수 있음.
• 아우프바우 원리(Aufbau Principle): 전자는 낮은 에너지 준위부터 차례대로 채워짐.
• 훈트의 규칙(Hund's Rule): 동일한 에너지 준위의 오비탈이 여러 개 있을 경우, 전자는 최대한 분리되어 배치됨.

헬륨(He)은 원자번호 2번이므로, 2개의 전자를 가집니다. 전자 배치는 다음과 같습니다.

\[ 1s^2 \]

즉, 헬륨의 2개 전자는 모두 가장 낮은 에너지 준위인 **1s 오비탈**에 위치하게 됩니다.

왜 헬륨은 2개의 전자만으로 안정할까?

1. 첫 번째 전자껍질( \( n = 1 \) )의 최대 수용 전자 개수

원자의 전자들은 특정한 껍질(Energy Level)에 배치됩니다. 첫 번째 전자껍질(\( n = 1 \))에는 오직 하나의 오비탈(1s)만 존재하며, 이 오비탈에는 최대 2개의 전자만 들어갈 수 있습니다. 따라서 헬륨은 2개의 전자를 채우면 더 이상 추가적인 전자를 받을 공간이 없습니다.

2. 안정한 전자 배치

헬륨의 1s 오비탈이 완전히 채워지면, 더 이상 낮은 에너지 상태가 존재하지 않기 때문에 원자는 매우 안정한 상태가 됩니다. 이러한 안정성 때문에 헬륨은 추가적인 전자를 얻거나 잃지 않고, 화학 반응을 거의 하지 않는 비활성 기체(Inert Gas, Noble Gas)로 분류됩니다.

3. 헬륨은 옥텟 규칙이 아닌 "듀엣 규칙"을 따른다

화학에서 안정성을 판단할 때 일반적으로 옥텟 규칙(Octet Rule)을 적용하여 원자가 8개의 전자를 가지면 안정하다고 설명합니다. 하지만 헬륨은 첫 번째 전자껍질( \( n = 1 \) )만을 사용하며, 이 껍질은 최대 2개의 전자를 포함할 수 있습니다. 따라서 헬륨은 옥텟 규칙이 아니라 듀엣 규칙(Duet Rule)을 따라, 단 2개의 전자로 안정한 상태가 됩니다.

헬륨과 다른 원소 비교

헬륨과 비슷한 원자번호를 가진 원소인 수소(H)와 리튬(Li)을 비교해 보겠습니다.

원소	원자번호	전자 배치	최외각 전자 개수	안정성
수소 (H)	1	\( 1s^1 \)	1개	불안정(전자 1개 부족)
헬륨 (He)	2	\( 1s^2 \)	2개	매우 안정
리튬 (Li)	3	\( 1s^2 2s^1 \)	1개	불안정(전자 하나를 잃고 싶어함)

이 표에서 볼 수 있듯이, 헬륨은 첫 번째 전자껍질을 완전히 채워 안정한 상태이지만, 수소와 리튬은 각각 1개의 전자가 부족하거나 과해서 반응성이 높습니다.

헬륨의 화학적 특성

헬륨은 매우 안정한 전자 배치를 가지고 있기 때문에 다음과 같은 특징을 가집니다.

• 비활성 기체(Noble Gas): 헬륨은 다른 원소와 화학 반응을 거의 하지 않습니다.
• 이온을 형성하지 않음: 헬륨은 전자를 잃거나 얻지 않으며, \( He^+ \) 또는 \( He^- \) 이온을 만들지 않습니다.
• 분자가 아닌 단원자 형태로 존재: 헬륨은 기체 상태에서 \( He_2 \) 같은 분자를 만들지 않고 단일 원자로 존재합니다.

결론

헬륨이 2개의 전자만 가지고 있는 이유는 첫 번째 전자껍질( \( n = 1 \) )이 최대 2개의 전자를 수용할 수 있기 때문입니다. 헬륨은 1s 오비탈을 가득 채운 상태에서 매우 안정하며, 추가적인 전자를 받을 공간이 없어 화학 반응을 하지 않는 비활성 기체로 존재합니다. 일반적인 원소들이 옥텟 규칙(8개의 전자로 안정)을 따르는 반면, 헬륨은 듀엣 규칙(2개의 전자로 안정)을 따릅니다. 이러한 이유로 헬륨은 단 2개의 전자로 안정한 원소로 존재하게 됩니다.