[화학결합1] 형식전하와 공명구조 & 옥텟 규칙의 예외사항

이번에는 화학결합에 있어서 중요한 개념을 살펴볼 것입니다. 이전에 제가 옥텟규칙과 루이스 구조에 대한 설명을 적어드렸었습니다. 

 

1. 형식전하

- 우리가 루이스 구조를 그리다보면요. 최외각전자의 개수 합을 맞췄는데 이상하게 선지가 1개가 아닌 구조가 나오게 됩니다. 이 경우에는 형식전하를 따져보는게 좋습니다.  대표적인 예시로 이산화탄소가 있습니다.

우리가 이산화탄소에 대한 루이스 구조를 그리려면 먼저 총 최외각전자의 개수를 파악해야 합니다.

산소는 6개, 탄소는 4개니까  16개의 최외각전자 개수를 가지죠? 

 

이걸 염두해두고 루이스구조를 그려보면 일단 단일결합은 안되고 이중이랑 삼중결합의 선택지가 남게 됩니다. 

자, 이 둘중 맞는 결합은 무엇일까를 판단하는 방법이 형식전하입니다. 먼저 삼중결합일 때를 봅시다.

산소 한쪽은 단일결합이고 다른 한쪽은 삼중결합입니다.

a. 이 때, 단일결합을 하는 산소를 보면 본인이 가지고 있는 최외각전자 개수는 7개입니다. 

b. 그리고 중심원자인 탄소가 갖는 최외각전자 개수는 4개입니다. 

c. 마지막으로 삼중결합을 하는 산소를 보면 본인이 가지고 있는 최외각전자 개수는 5개입니다.

 

그러면 a문장에 해당하는 산소는 본래 6개에서 1개를 더 갖고있으니까 -1의 산화수를 가집니다.

b문장에서 탄소는 본래 4개에서 변함이 없으므로 0의 산화수구요.

c문장에서 삼중결합 산소는 본래 6개에서 1개를 잃었으므로 +1의 산화수를 가집니다. 

이 산화수들을 다 더하면 0이므로 이산화탄소는 중성임을 알 수 있습니다. 

여기까지만 살펴보면 맞는말인거 같아요. 하지만 산소 둘다 이중결합일 때를 봅시다. 

 

위에서 했으니까 자세한 절차를 적는건 생략하고 루이스 구조 딱딱 다 그려보면 O=C=O 이런꼴이죠?

각각의 산화수를 판단해보면 0,0,0이 됩니다. 

그러면 둘 중 어떤 선지가 맞는걸까요? 답은 이중결합일 때입니다.  일단 최우선적으로 생각할 것은 화합물의 산화수입니다. 이산화탄소는 중성이므로 여기선 거를게 없습니다. 삼중일때랑 이중일때 둘다 맞거든요.

그 다음으로 볼 것은 본래의 최외각전자 개수와 같느냐 아니냐입니다. 뭐 다 같을순없지만 최대한 '0'이 많을수록 옳은 선지가 됩니다. 따라서 형식전하에 따르면 이산화탄소는 이중결합 구조를 가진게 맞습니다.

 

2. 공명구조

- 공명구조는 형식전하를 따져봤음에도 불구하고 판단이 안될때 정의하는 방법입니다. 대표적으로 벤젠이 있죠?

NO3 공명구조 <출처 - 구글 이미지 검색 '공명구조' BY 티스토리 블로거 좋은습관님>

위 그림보세요. 다 정답같죠? 근데 엄밀히 말하자면 셋다 틀린 구조입니다. 이제 이러한 경우를 

'컨쥬게이션' 되었다. 라고 생각하시면 됩니다. 편입화학 푸실때 가끔 '컨쥬게이트~ 콘쥬게이트~' 이런 말 보셨을텐데요. 

쉽게 생각해서 공명구조랑 비슷하다고 보시면 됩니다. 제가 재료과학 공부할 때 '공액상태' 를 컨쥬게이션이라고 봤던거 같네여.

 

어쨌든 공명구조라는 의미로 저렇게 구조를 다 그려준다음 화살표 표시를 해줍니다.  공명구조가 되면요. 일단 무조건 다중결합이 있다는 의미이며 그 과정에서 결합에 참여하지 못한 파이전자들이 비편재된 상태로 자유롭게 돌아다니게 됩니다. 이건 이제 카테고리 [화학결합2]에서 제가 곧 다룰겁니다. 킬링포인트고 연세대 편입화학시험에서 거의 매해 출제합니다. 

 

3. 옥텟 규칙 예외사항

- 옥텟 규칙 예외사항을 봅시다. 

1) 홀전자 상태 : 루이스 구조 그리실 때 보면 여러분들은 비공유전자쌍이나 공유결합을 할 때, 항상 2개씩 전자를 찍어줍니다. 근데 꼭 2개씩 따라다녀야 하는 것은 아닙니다. 대표적으로 NO가 있습니다. NO처럼 총 최외각전자 개수가 홀수인 경우도 예외로 옳다고 해줍니다. 다만, 이러한 상태인 경우는 절대적인 상자기성이고 불안정한 상태입니다. 

 

포인트는 상자기성입니다. 연세대에서 한번 다원자의 자기성을 판단하라는 객관식 문제가 나온적이 있습니다. 다른 선지가 워낙 쉬워서 다들 맞힌 문제였는데  '아니 일반화학 수준에서 다원자 자기성을 MO로 어떻게 판단해?' 라고 생각들 많이하셨을 겁니다. 그 때 팁을 하나 드리자면  다원자의 총 최외각전자개수를 봐라! 이겁니다. 홀수면 무조건 상자기성입니다. 

 

2) 중심 원자가 팔전자보다 아래의 개수를 가질 때 : 대표적인 예가 BF3입니다. 이건 왜그러냐면 제가 이전에 설명한 전기음성도 때문에 그렇습니다. F는 전기음성도가 제일 큰 녀석입니다. 그런 친구가 B와 공유결합을 하는데 자기 전자를 내주겠습니까? B한테서 전자를 얻으려하겠죠? 그래서 B는 6개의 전자를 가짐에도 불구하고 전기음성도 때문에 그냥 그대로 F와 단일결합을 하게된겁니다.

 

3) 중심 원자가 팔전자보다 많을 때 : SF6가 대표적이죠. 얘도 마찬가지로 전기음성도 때문에 그렇습니다. 이유는 2번과 똑같아요. 

 

이걸 보면 여러분이 느끼셨겠지만 옥텟 규칙은 사실 적용되는 것보다 예외가 더 많습니다. 옥텟 규칙이 적용되는 곳은 1주기,2주기 원소뿐이에요. 3주기부터는 전이금속도 있고 원자가 점점 우리의 상식을 벗어나는 행동들을 합니다 ㅋㅋ