유효 핵전하

슬레이터 규칙은 유효 핵전하를 계산하기 위한 경험적 규칙이다. 이 규칙은 1930년 미국의 물리학자 존 C. 슬레이터가 제안하였다. 슬레이터 규칙은 원자 궤도를 기반으로 하여, 특정 전자가 느끼는 유효 핵전하를 추정하는 데 사용된다.

규칙에 따르면, 원자 내 전자들은 주양자수(n)와 방위양자수(l)에 따라 여러 그룹으로 나뉜다. 각 그룹은 (n, l) 값이 같은 전자들로 구성된다. 특정 전자가 느끼는 유효 핵전하(Z_eff)는 원자번호(Z)에서 다른 전자들에 의한 차폐 효과를 뺀 값으로 계산된다. 차폐 상수(s)는 다음과 같은 규칙으로 결정된다.

• 관찰 대상 전자와 같은 그룹에 있는 다른 전자들은 각각 0.35의 차폐를 제공한다(1s 궤도 전자의 경우 동일 궤도의 다른 전자는 0.30).

• 주양자수가 1 작은 (n-1) 그룹의 전자들은 각각 0.85의 차폐를 제공한다.

• 주양자수가 2 이상 작은 (n-2) 그룹 또는 그보다 더 안쪽에 있는 전자들은 각각 1.00의 차폐를 제공한다.

• 관찰 대상 전자보다 주양자수가 큰 그룹에 있는 전자들은 차폐에 기여하지 않는다(차폐 상수 0.00).

예를 들어, 나트륨(Na, Z=11) 원자의 최외각 3s 전자 하나에 대한 유효 핵전하를 계산해 보자. 이 전자는 1s², 2s²2p⁶, 3s¹에 위치한다. 차폐 상수(s)는 내부 전자들로부터 다음과 같이 계산된다.

• 같은 3s 그룹의 다른 전자는 없다.

• n=2 그룹(2s²2p⁶)의 8개 전자: 8 × 0.85 = 6.80

• n=1 그룹(1s²)의 2개 전자: 2 × 1.00 = 2.00

따라서 총 차폐 상수 s = 6.80 + 2.00 = 8.80이다. 유효 핵전하 Z_eff = Z - s = 11 - 8.80 = 2.20이 된다.

슬레이터 규칙은 계산이 비교적 간단하고 화학적 경향성을 잘 설명한다는 장점이 있다. 그러나 이 규칙은 궤도의 모양에 대한 세부적인 차이를 완전히 반영하지 못하며, 모든 원소에 대해 동일한 상수를 사용하는 등 근사적인 방법이라는 한계를 가진다. 이후 더 정교한 계산을 위한 클렘멘티-라이머 공식과 같은 다른 방법들이 개발되었다.

클렘멘티-라이머 공식은 유효 핵전하를 계산하기 위해 슬레이터 규칙보다 더 정교한 방법을 제공하는 경험적 공식이다. 이 공식은 1967년 에토레 클렘멘티와 드. L. 라이머가 제안했으며, 슬레이터 규칙이 사용하는 고정된 차폐 상수 대신, 전자의 궤도 함수에 의존하는 변수 차폐 상수를 도입한다는 점에서 차별화된다.

클렘멘티-라이머 공식은 슬레이터 규칙과 마찬가지로 원자 번호 Z에서 차폐 상수 S를 빼서 유효 핵전하 Z_eff를 구하는 기본 구조(Z_eff = Z - S)를 따른다. 그러나 차폐 상수 S를 계산할 때, 관찰 대상 전자가 위치한 주양자수 n과 방위 양자수 l에 따라 다른 차폐 계수 집합을 사용한다. 이는 s, p, d, f 오비탈에 있는 전자들이 핵으로부터 느끼는 인력과 다른 전자들로부터 받는 반발력이 다르다는 사실을 더 잘 반영하기 위한 것이다.

이 공식의 일반적인 형태는 다음과 같은 표를 기반으로 한다.

예를 들어, 탄소 원자의 2p 전자에 대한 유효 핵전하를 계산할 때, 슬레이터 규칙은 모든 n=2 전자에 대해 동일한 차폐를 적용하지만, 클렘멘티-라이머 공식은 1s 전자로부터의 차폐를 0.85로, 같은 2s 및 다른 2p 전자로부터의 차폐를 0.35로 구분하여 더 정확한 값을 제공한다. 이 방법은 이온화 에너지나 원자 반지름과 같은 실험적으로 관측된 원자 성질의 주기적 경향성을 설명하는 데 있어 슬레이터 규칙보다 더 나은 정합성을 보인다.

주기율표에서 같은 주기(가로줄)를 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할수록 유효 핵전하는 증가하는 경향을 보인다. 이는 원자 번호가 증가함에 따라 핵의 양전하(양성자 수)가 증가하지만, 가장 바깥 껍질(최외각 전자)을 차폐하는 내부 전자 수는 동일한 주기 내에서는 크게 변하지 않기 때문이다. 예를 들어, 2주기 원소(리튬부터 네온까지)는 모두 1s 오비탈에 2개의 전자를 가지고 있어 최외각 전자에 대한 차폐 효과는 거의 비슷하다. 따라서 추가된 양성자의 전하는 외각 전자가 느끼는 유효 핵전하를 꾸준히 증가시킨다.

구체적으로, 슬레이터 규칙에 따른 차폐 상수를 적용하면 그 증가 양상을 수치적으로 설명할 수 있다. 3주기 원소(나트륨부터 아르곤까지)에서도 마찬가지로, 1s, 2s, 2p 오비탈에 있는 10개의 내부 전자가 강한 차폐를 제공하며, 3s와 3p 전자는 상대적으로 약한 차폐를 한다. 결과적으로 주기를 따라 이동할 때마다 원자 번호가 1씩 증가하면, 유효 핵전하도 거의 1에 가까운 값으로 증가한다.

이 경향은 아래 표를 통해 2주기와 3주기 원소들의 예로 명확히 나타난다.

이러한 유효 핵전하의 증가는 같은 주기 내에서 원자 반지름이 감소하고, 이온화 에너지가 증가하며, 전기 음성도가 증가하는 등 여러 물리적, 화학적 성질의 주기적 경향성을 설명하는 근본적인 원인이 된다.

주기율표에서 같은 족(세로줄)에 위치한 원소들을 아래로 내려갈수록, 즉 원자 번호가 커질수록 유효 핵전하는 감소하는 경향을 보인다. 이는 원자 번호 증가에 따른 핵전하의 증가 효과가, 가전자의 수 증가와 원자 껍질의 확장으로 인한 차폐 효과의 증가 효과에 의해 상쇄되기 때문이다.

예를 들어, 알칼리 금속 족(1족)을 살펴보면, 리튼(Li)에서 세슘(Cs)으로 갈수록 원자 번호와 총 전자 수는 증가한다. 그러나 각 원소의 최외각 전자(원자가 전자)는 더 많은 내부 전자 껍질(주 양자수가 증가하는 껍질)에 의해 핵으로부터 차폐된다. 이로 인해 최외각 전자가 느끼는 유효 핵전하는 족을 따라 아래로 내려갈수록 점차 작아진다.

이러한 경향은 아래 표와 같이 주요 족 원소들의 유효 핵전하(Z_eff) 추정값 변화로 확인할 수 있다[2].

표에서 보듯, 같은 족 내에서 주기가 증가함에 따라 유효 핵전하의 절대값은 증가하지만, 그 증가 폭은 매우 작다. 핵전하의 실제 증가분에 비해 유효 핵전하의 증가는 미미하며, 이는 핵과 최외각 전자 사이의 평균 거리가 크게 증가하여 인력이 약해진다는 것을 의미한다. 결과적으로 족을 따라 내려갈수록 원자가 전자는 핵에 더 느슨하게 결합되어 있으며, 이는 원자 반지름의 증가, 이온화 에너지의 감소 등 다른 주기적 성질 변화의 근본적인 원인이 된다.

유효 핵전하는 원자 반지름에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요인이다. 원자 반지름은 원자핵과 가장 바깥 껍질(원자가 껍질) 사이의 거리를 의미하는데, 이 거리는 원자핵이 가진 양전하(핵전하)와 이를 차폐하는 내부 전자들의 효과에 의해 결정된다. 유효 핵전하가 증가하면 핵이 최외각 전자를 더 강하게 끌어당기기 때문에 원자 반지름은 감소한다.

주기율표에서 같은 주기(가로줄)를 왼쪽에서 오른쪽으로 이동할 때 유효 핵전하가 증가하는 경향을 보인다. 이는 주 양자수가 같은 새로운 전자가 추가될 때, 내부 전자에 의한 차폐 효과는 완전하지 않기 때문이다. 결과적으로 핵과 최외각 전자 사이의 인력이 강해지고, 원자 반지름은 주기를 따라 점차 작아진다. 예를 들어, 2주기 원소들의 공유 결합 반지름은 리튬(152 pm)에서 플루오린(71 pm)으로 크게 감소한다[3].

반면, 같은 족(세로줄)을 위에서 아래로 이동할 때는 주 양자수가 증가하여 새로운 전자 껍질이 추가된다. 이는 원자 크기를 증가시키는 주된 요인이다. 비록 아래로 내려갈수록 핵전하 자체는 증가하지만, 새로 추가된 껍질은 내부 전자에 의해 효과적으로 차폐되어 핵으로부터 먼 거리에 위치한다. 따라서 유효 핵전하의 증가 효과는 새로운 껍질 추가에 의한 크기 증가 효과를 상쇄하지 못한다. 결과적으로 족을 따라 내려가면 원자 반지름은 증가한다. 알칼리 금속 족의 원자 반지름이 리튬에서 세슘으로 갈수록 커지는 것이 대표적인 예이다.

이러한 원자 반지름의 주기적 경향성은 이온화 에너지, 전기 음성도, 금속성 등 다른 원소의 성질을 이해하는 기초가 된다.

이온화 에너지는 기체 상태의 중성 원자로부터 가장 느슨하게 결합된 전자 하나를 떼어내어 1가 양이온을 만드는 데 필요한 최소 에너지를 의미한다. 이 값은 일반적으로 킬로줄 퍼 몰(kJ/mol) 또는 전자볼트(eV) 단위로 표시된다. 이온화 에너지는 원자의 전자를 붙잡아 두는 힘의 세기를 반영하는 지표로, 유효 핵전하와 밀접한 관계를 가진다.

유효 핵전하가 클수록 핵이 최외각 전자를 더 강하게 끌어당기므로, 그 전자를 떼어내는 데 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 주기율표에서 유효 핵전하가 증가하는 경향을 보이는 방향, 즉 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 이온화 에너지는 일반적으로 증가한다. 예를 들어, 2주기 원소들의 제1 이온화 에너지는 리튬(Li)에서 네온(Ne)으로 갈수록 증가한다. 같은 족(세로줄)에서는 원자 번호가 증가함에 따라 최외각 전자가 핵으로부터 더 멀리 위치하게 되어 유효 핵전하의 증가 효과가 상쇄된다. 결과적으로 같은 족을 위에서 아래로 내려갈수록 이온화 에너지는 감소하는 경향을 보인다.

이온화 에너지의 변화는 완전히 단조롭지 않다. 예를 들어, 2주기에서 질소(N)의 이온화 에너지는 옆의 산소(O)보다 약간 더 높다. 이는 질소의 최외각 전자 배치(2p³)가 반채워진 오비탈로 더 안정한 반면, 산소의 전자 배치(2p⁴)는 하나의 p 오비탈에 전자쌍이 존재하여 전자 간 반발이 약간 더 크기 때문이다. 이러한 예외는 전자 배치의 안정성이 이온화 에너지에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다.

이온화 에너지는 원자의 화학적 성질, 특히 금속성과 반응성을 이해하는 데 핵심적인 개념이다. 이온화 에너지가 낮은 원소는 전자를 쉽게 잃어 양이온이 되기 쉬우므로 금속성이 강하고 반응성이 큰 경향을 보인다.

전자 친화도는 기체 상태의 중성 원자가 전자 하나를 얻어 1가 음이온이 될 때 방출하는 에너지를 의미한다. 이 값이 클수록 원자가 전자를 더 쉽게 얻어 음이온이 되려는 경향이 강하다. 전자 친화도는 이온화 에너지와 마찬가지로 유효 핵전하의 영향을 크게 받는다.

일반적으로 주기율표에서 오른쪽으로 갈수록, 즉 할로젠 원소 방향으로 갈수록 전자 친화도는 증가하는 경향을 보인다. 이는 원자 번호가 증가함에 따라 유효 핵전하가 증가하여, 추가된 전자가 핵의 강한 인력을 더 크게 느끼기 때문이다. 예를 들어, 플루오린(F)과 염소(Cl)는 매우 높은 전자 친화도를 가진다. 그러나 예외도 존재하는데, 질소(N)는 전자 친화도가 상대적으로 낮은데, 이는 전자가 이미 반채워진 2p 오비탈에 추가될 때 전자 간 반발이 크기 때문이다.

족(세로줄)을 따라 내려갈 때의 경향은 일관적이지 않다. 2족 원소(베릴륨, 마그네슘)의 전자 친화도는 거의 0에 가깝거나 양의 값[4]을 보이기도 한다. 일반적으로 족을 따라 내려가면 원자 크기가 커져 추가 전자가 핵으로부터 더 멀리 위치하게 되고, 유효 핵전하 증가 효과가 상쇄되어 전자 친화도는 감소하는 경향을 보인다. 다음은 일부 원소의 전자 친화도 값(단위: kJ/mol)을 보여준다.

전자 친화도는 원소의 산화-환원 특성 및 이온 결합 형성 능력을 이해하는 데 중요한 개념이다. 높은 전자 친화도를 가진 원소는 다른 원소로부터 전자를 받아 음이온이 되기 쉬우며, 이는 이온 결합을 형성하는 주요 동인이 된다.

이온 결합은 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의해 형성되는 결합이다. 유효 핵전하는 이온 결합의 세기와 이온 화합물의 물리적 성질을 결정하는 핵심 요인 중 하나로 작용한다.

유효 핵전하가 큰 원자는 전자를 더 강하게 끌어당겨 원자 반지름이 작아지는 경향을 보인다. 이는 양이온의 크기를 감소시키고, 음이온의 크기는 유효 핵전하가 상대적으로 작아 전자-전자 반발이 증가하여 커지는 경향이 있다. 결과적으로, 유효 핵전하의 차이는 이온 반지름의 차이를 만들어내며, 이는 격자 에너지에 직접적인 영향을 미친다. 격자 에너지는 이온 결합의 강도를 나타내는 척도로, 이온의 전하량이 클수록, 이온 사이의 거리가 가까울수록 그 값이 커진다. 따라서 유효 핵전하가 커서 작은 양이온과 큰 음이온의 조합은 일반적으로 높은 격자 에너지를 가지는 경향이 있다.

주기율표에서 유효 핵전하의 경향성은 이온 결합 화합물의 안정성과 용해도 예측에 활용된다. 예를 들어, 같은 주기를 따라 이동할 때 유효 핵전하는 증가하고, 이로 인해 양이온의 크기는 감소한다. 이는 염화 나트륨(NaCl)과 염화 마그네슘(MgCl₂)을 비교할 때, Mg²⁺ 이온이 Na⁺ 이온보다 유효 핵전하가 크고 반지름이 작아, 일반적으로 더 높은 격자 에너지를 갖는 염화 마그네슘의 형성을 설명하는 데 도움을 준다. 반면, 같은 족을 따라 내려갈 때 유효 핵전하는 감소하고 이온 반지름은 증가하여 격자 에너지는 감소하는 경향을 보인다.

공유 결합에서 유효 핵전하는 원자가 전자를 끌어당기는 힘의 세기를 결정하여 결합의 극성과 강도에 직접적인 영향을 미친다. 두 원자 사이의 유효 핵전하 차이가 클수록, 결합을 이루는 전자쌍은 더 강한 인력을 가진 원자 쪽으로 불균형하게 끌려간다. 이는 결합의 극성을 증가시키며, 극단적인 경우 이온 결합의 성격을 띠게 만든다.

반대로, 두 원자의 유효 핵전하가 비슷하면, 공유된 전자쌍은 두 핵 사이에 고르게 분포한다. 이는 비극성 공유 결합을 형성하며, 대표적인 예로 같은 원자 간의 결합(H2, Cl2)이나 탄소-탄소 결합과 같은 동핵 이원자 분자에서 관찰된다. 따라서 유효 핵전하의 상대적 크기는 결합의 이온성 비율을 예측하는 중요한 지표가 된다.

또한, 유효 핵전하는 공유 결합의 길이와 에너지에도 간접적으로 관여한다. 원자의 유효 핵전하가 증가하면 원자 반지름이 감소하는 경향을 보이는데, 이는 결합하는 두 원자의 핵 간 평균 거리, 즉 결합 길이를 짧게 만드는 요인으로 작용한다. 일반적으로 짧은 결합 길이는 강한 결합을 의미하므로, 높은 유효 핵전하를 가진 원자들 사이의 공유 결합은 더 강할 가능성이 있다[6].

X선 분광법은 원자의 내부 전자 껍질에서 발생하는 전자 전이를 분석하여 유효 핵전하를 실험적으로 추정하는 중요한 방법 중 하나이다. 이 방법은 원자에 고에너지 전자를 충돌시켜 내부 껍질(예: K 껍질)의 전자를 방출시키고, 그 빈자리를 더 높은 에너지 준위의 전자가 채우면서 방출되는 특성 X선의 스펙트럼을 측정하는 원리를 기반으로 한다.

방출된 X선의 에너지는 내부 껍질 전자가 느끼는 유효 핵전하에 직접적으로 의존한다. 예를 들어, Kα 선의 에너지는 1s 껍질과 2p 껍질 사이의 에너지 차이에서 비롯된다. 이 에너지 차이는 핵전하(Z)와 내부 전자들에 의한 차폐 효과에 의해 결정되므로, 측정된 X선 에너지를 통해 내부 전자가 경험하는 실제 핵전하, 즉 유효 핵전하를 계산할 수 있다. 실험 데이터는 슬레이터 규칙이나 클렘멘티-라이머 공식과 같은 이론적 모델로부터 예측된 값과 비교하여 검증된다.

이 기술은 특히 중원소와 전이 금속 원소의 유효 핵전하를 연구하는 데 유용하다. 측정된 X선 파장 또는 에너지는 모즐리 법칙과 같은 경험적 관계식을 통해 원자 번호와 연관지어 분석된다. 이를 통해 주기율표 상에서 원소의 위치에 따른 유효 핵전하의 체계적인 변화, 즉 주기를 따라 증가하고 족을 따라 감소하는 경향성을 실험적으로 확인할 수 있었다.

광전자 분광법(Photoelectron Spectroscopy, PES)은 원자나 분자의 전자를 방출시키기 위해 고에너지 광자를 조사하고, 방출된 전자의 운동 에너지를 측정하여 전자 결합 에너지를 결정하는 실험 기법이다. 이 방법은 특히 원자가 전자의 결합 에너지를 직접적으로 측정할 수 있어, 유효 핵전하를 실험적으로 추정하는 데 핵심적인 도구로 활용된다.

실험에서는 일반적으로 자외선(XPS) 또는 X선(UPS) 광원을 사용하여 시료에 조사한다. 광자가 원자 내 전자와 상호작용하여 전자를 방출시키면([7]), 이 방출된 광전자의 운동 에너지는 입사 광자의 에너지에서 해당 전자의 결합 에너지를 뺀 값과 같다. 따라서 측정된 운동 에너지 스펙트럼을 분석하면 각 전자 껍질 및 오비탈별 결합 에너지를 얻을 수 있다. 유효 핵전하가 클수록 전자를 핵으로부터 떼어내는 데 필요한 에너지, 즉 결합 에너지가 증가하기 때문에, PES 스펙트럼에서 피크의 위치는 유효 핵전하의 상대적 크기에 대한 직접적인 정보를 제공한다.

주기율표 상에서 원소들의 PES 데이터를 비교하면 유효 핵전하의 경향성을 명확히 관찰할 수 있다. 예를 들어, 동일 주기 내에서 원자 번호가 증가함에 따라 1s 전자의 결합 에너지가 단조롭게 증가하는데, 이는 유효 핵전하가 증가하기 때문이다. 반면, 동일 족 내에서는 원자 번호가 커질수록 결합 에너지가 감소하는 경향을 보이는데, 이는 주양자수가 증가하여 전자가 핵으로부터 더 멀리 위치하고, 전자 가림 효과가 더 커지기 때문이다.

유효 핵전하는 원자의 화학 반응성을 정성적으로 예측하는 데 유용한 도구이다. 일반적으로 유효 핵전하가 클수록 원자는 외부 전자를 더 강하게 끌어당기며, 이는 반응 경향에 직접적인 영향을 미친다.

금속 원소의 경우, 유효 핵전하가 낮을수록 원자가 전자를 쉽게 잃어 양이온이 되려는 경향, 즉 금속성이 강해진다. 예를 들어, 1족 알칼리 금속은 같은 주기 내에서 가장 낮은 유효 핵전하를 가지며, 이는 그들의 높은 반응성과 설명한다. 반대로 비금속 원소는 높은 유효 핵전하를 가져 외부에서 전자를 얻어 음이온이 되려는 경향이 강해지며, 이는 할로젠과 같은 원소들의 강한 산화제 성질과 연결된다.

유효 핵전하는 특정 반응의 메커니즘과 속도를 이해하는 데도 적용된다. 친핵성 치환 반응에서, 반응 중심 원자의 유효 핵전하가 높을수록 부분 양전하를 띠게 되어 친핵체의 공격을 더 쉽게 받는다. 또한, 주기율표에서 대각선 관계에 있는 원소들(예: 리튬과 마그네슘)의 유효 핵전하는 서로 유사하며, 이는 그들이 보이는 유사한 화학적 성질을 부분적으로 설명한다.

유효 핵전하는 재료의 전자 구조와 결합 특성을 이해하는 핵심 변수로 작용하여 재료 과학 분야에서 중요한 역할을 한다. 특히 반도체, 금속, 세라믹 소재의 설계와 성능 예측에 활용된다. 주기율표에서의 체계적인 변화 경향은 새로운 물질 탐색과 합성에 대한 가이드라인을 제공한다.

예를 들어, 반도체 물질의 밴드 갭은 구성 원소들의 유효 핵전하와 밀접한 관련이 있다. 규소(Si)와 저마늄(Ge)은 같은 족에 속하지만, 더 큰 원자 번호를 가진 저마늄의 원자가 전자가 느끼는 유효 핵전하는 상대적으로 작아 전자가 더 쉽게 여기된다. 이는 저마늄이 규소보다 더 좁은 밴드 갭을 가지는 원인 중 하나로 설명된다[8]. 합금 반도체나 화합물 반도체를 설계할 때 구성 원소들의 유효 핵전하를 고려하면 원하는 전기적, 광학적 특성을 가진 재료를 합성할 가능성을 높일 수 있다.

금속 재료의 관점에서는 합금의 강도와 내식성을 결정하는 데 유효 핵전하 개념이 적용된다. 합금 원소를 첨가할 때, 용질 원자의 유효 핵전하는 용매 금속의 격자에 얼마나 강하게 결합하는지에 영향을 미친다. 일반적으로 유효 핵전하가 큰 원소는 주변 전자 구름을 더 강하게 끌어당겨 격자 변형을 일으키며, 이는 고용 강화 효과를 통해 합금의 강도를 증가시키는 메커니즘 중 하나이다. 다음 표는 몇 가지 합금 원소가 철 기지 합금에서 미치는 효과를 유효 핵전하 관점에서 비교한 것이다.

또한, 이온 결합을 주로 이루는 세라믹 재료나 고분자 재료 내의 특정 작용기에서도, 이온의 유효 핵전하는 결합의 이온성 정도와 물질의 융점, 경도 등 물성을 예측하는 데 기초 자료로 사용된다. 결국 재료 과학은 유효 핵전하를 통해 원자 수준의 전하 분포를 이해하고, 이를 매크로 스케일의 재료 성질과 연결시키는 학문이다.

전기 음성도는 원자가 화학 결합에서 전자를 끌어당기는 상대적인 경향을 나타내는 척도이다. 이 개념은 라이너스 폴링에 의해 정량적으로 도입되었으며, 원자의 유효 핵전하와 밀접한 관련이 있다. 유효 핵전하가 클수록 원자핵이 원자가 전자를 더 강하게 끌어당기므로, 일반적으로 전기 음성도 값도 커진다.

주기율표에서 전기 음성도의 경향성은 유효 핵전하의 변화와 일치한다. 같은 주기(가로줄)를 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 원자 번호가 증가함에 따라 유효 핵전하가 증가하고, 이에 따라 전기 음성도도 증가한다. 같은 족(세로줄)을 위에서 아래로 갈수록 원자 반지름이 커지고 유효 핵전하는 감소하는 경향을 보이므로, 전기 음성도 값도 일반적으로 감소한다. 따라서 전기 음성도는 주기율표에서 우상향하는 경향을 보이며, 플루오린이 가장 높고 세슘 또는 프랑슘이 가장 낮은 값을 가진다.

전기 음성도는 결합의 극성을 예측하는 데 핵심적인 역할을 한다. 두 원자 사이의 전기 음성도 차이가 클수록 결합은 더 이온 결합의 성격을 띠게 되고, 차이가 작을수록 공유 결합의 성격이 강해진다. 이 차이는 분자의 쌍극자 모멘트와 같은 물리적 성질뿐만 아니라 화학 반응성에도 직접적인 영향을 미친다.

폴링 척도 외에도, 로버트 밀리컨의 이온화 에너지와 전자 친화도를 기반으로 한 척도, 그리고 앨런 로크가 제안한 전기 음성도 척도 등 여러 가지 척도가 존재한다. 각 척도는 서로 다른 물리적 근거를 바탕으로 하지만, 주기율표에서 보이는 상대적 경향성은 대체로 일관된다.

이온화 에너지는 기체 상태의 중성 원자 하나에서 전자 하나를 떼어내어 1가 양이온을 만드는 데 필요한 최소 에너지를 의미한다. 이 값은 일반적으로 킬로줄 퍼 몰(kJ/mol) 또는 전자볼트(eV) 단위로 표시된다. 첫 번째 전자를 제거하는 데 필요한 에너지를 제1 이온화 에너지라고 하며, 이후 전자를 계속 제거할 때 필요한 에너지는 제2, 제3 이온화 에너지 등으로 구분한다.

이온화 에너지는 유효 핵전하와 밀접한 관계가 있다. 유효 핵전하가 클수록 원자핵이 최외각 전자를 더 강하게 끌어당기므로, 그 전자를 떼어내는 데 더 많은 에너지가 필요해진다. 따라서 주기율표에서 유효 핵전하가 주기를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하는 경향을 보이는 것과 마찬가지로, 이온화 에너지도 일반적으로 같은 주기 내에서 증가한다. 예를 들어, 2주기에서 리튬(Li)의 제1 이온화 에너지는 약 520 kJ/mol인 반면, 네온(Ne)은 약 2080 kJ/mol로 훨씬 크다.

같은 족(세로줄)에서는 원자 번호가 증가함에 따라 최외각 전자가 핵으로부터 더 먼 궤도에 위치하게 된다. 이로 인해 핵과의 거리 증가와 내부 전자에 의한 차폐 효과가 더 커져 유효 핵전하의 영향이 상대적으로 약해진다. 결과적으로, 같은 족에서는 아래로 갈수록 이온화 에너지가 감소하는 경향을 보인다. 예를 들어, 할로젠 족에서 플루오린(F)의 이온화 에너지는 약 1681 kJ/mol이지만, 아래에 있는 아이오딘(I)은 약 1008 kJ/mol이다.

이러한 일반적인 경향에는 예외가 존재한다. 2주기의 붕소(B)가 베릴륨(Be)보다 이온화 에너지가 낮거나, 산소(O)가 질소(N)보다 낮은 경우는 전자 배치의 안정성(반파전 껍질, 전자-전자 반발)과 관련이 있다. 이러한 예외는 화학적 성질을 설명하는 데 중요한 단서를 제공한다.