#1 옥텟규칙 / 루이스 전자점식과 공명구조

[서문]

안녕하세요 정리장 입니다.
다음의 글은 대학교 (일반 물리/화학/생물 등) 과학을 다루고 있습니다.
이 링크의 글을 먼저 읽어보시면 이해하시기 수월할껍니다.

http://schrodingerpiano.tistory.com/notice/11 

[본문]

목차

1. 옥텟규칙과 그 예외
2. 루이스 전자점식 이란
3. 루이스 전자점식 그리는 법
4. 공명구조

1. 옥텟규칙과 그 예외

18족이 아닌 원자가 이온이 되어(전자를 갖게 되어) 안정해질 때, 대체로 일정한 '규칙'을 가지게 된다.
여기서 규칙이란, 법칙과는 상반되는 말로서 법칙은 모든 것들에 대해 예외없이 적용할 수 있지만, 규칙은 언제까지나 예외를 포함하며, 전기음성도나 다른 값들에 의해 옥텟규칙을 만족하지 않는 경우도 많이 생긴다.

옥텟규칙은 원자가 전자를 가짐으로서 안정화 되는 상태를 말한다. 이름에서도 볼 수 있듯이 최외각 전자가 8개(=원자가 전자수 0개)를 만족할 때 가장 안정적이라는 것 이다. 이 때 빠짐없이 등장하는 것이 오비탈이다. 전자의 존재 확률은 오비탈에 따라 결정되기 때문에, 옥텟규칙과 오비탈은 친구사이라고 할 수 있다.
$$1s \quad  2s \quad  2{ p }_{ x } 2{ p }_{ y }  2{ p }_{ z } \quad  3s \quad  3{ p }_{ x }   3{ p }_{ y }  3{ p }_{ z } \quad 3{d}_{xy}  3{d}_{yz}  3{d}_{xz}  3{d}_{{x}^{2}-{y}^{2}}  3{d}_{{z}^{2}}$$
이렇게 있다고 한다면, 각 오비탈에는 전자가 2개씩 들어가게 되므로 첫 번째 전자껍질이 위치한 1s 오비탈의 경우 2전자 규칙, 두 번째의 2s + 2p 는 8전자 규칙, 세 번째 오비탈 3s + 3p + 3d 오비탈을 가지므로 확장된 옥텟규칙이 적용된다.

결과적으로 옥텟규칙의 사용가능한 범위는 1주기~2주기로 매우 제한되어있으며, 따라서 3주기 이상의 원소는 예외로 분류된다.
그럼에도 특정한 1~2주기 원소들이 옥텟규칙을 따르지 않는데, 
1. Be (항상 따르지 않음)
2. B (거의 따르지 않음)
3. N (가끔 따르지 않음)
4. 3주기 이상 원소
Be가 옥텟을 따르지 않는 이유는 전자가 4개로, 1s 2s 오비탈만 채우면 안정화 상태에 도달할 수 있기 때문이다.

2. 루이스 전자점식 이란

공유결합을 그리는 새로운 방법이다. 이러한 형태로 그려지게 된다.

웬만한 공유결합은 모두 표현할 수 있는 획기적인 방법이다.

3. 루이스 전자점식 그리는 법

사실 2번은 단지 이를 설명하기 위한 서문에 불과하다.

$$\begin{matrix}  &\Sigma 옥텟시 전자수 \\ - & \Sigma 원자가 전자수 \\ ---&--------\\ &옥텟 e + 원자가 e & /2=결합개수 \end{matrix}$$

이는 결합개수를 구하는 간단한 방법이다. 예를 들면

$$\begin{matrix} &CN^- & \\ &8+8 =&16 \\ -&4+5+1 =&10 \\ --&------&---- \\ & & 6/2=3 \end{matrix}$$

(중간의 1은 전자 하나를 추가해 준 것)

하지만 옥텟은 언제나 '규칙' 이다보니 이러한 예외도 존재할 수 있다
$$\begin{matrix} &NO & \\ &8+8 =&16 \\ -&5+6 =&11 \\ --&------&---- \\ & & 5/2=?? \end{matrix}$$
다음과 같이 수정해주면 된다. 여기서 N의 전자 하나가 사라지는 이유는 O에 비해 전기음성도가 낮기 때문이다.
$$\begin{matrix} &NO & \\ &7+8 =&15 \\ -&5+6 =&11 \\ --&------&---- \\ & & 4/2=2 \end{matrix}$$

또한 원자가 전자수는 불변의 값이기 때문에 루이스 전자점식에서 수정을 고려하지 않는다.

다음으로 고려해야 할 사항은 이것이다.

$$결합개수 \ge (원자수-1)$$

다음 값들을 모두 조건에 맞게 만든다음 가능한 모든 구조를 그리고, 원자 하나당 형식전하를 판단해 주면 된다.

$$형식전하=\Sigma 원자가 전자수 - 결합개수(=공유전자수/2) - 비공유 전자수 $$

형식전하 값이 0, +1, -1 일때 올바른 구조이며 +2나 -2가 된다면 잘못된 구조식이다.

4. 공명구조

흔히 이렇게 표현한다.

그럼 공명이란 무엇이냐, 진동수가 동일하여 결합해리에너지가 같아지는 현상을 말한다.
$$공명=f(화학에서는 \upsilon 라 표현) 동일 -> E=h\upsilon ->{D}_{해리E} 동일$$

벤젠도 공명구조이다.(레이텍이 구조식을 못그려서 이미지 발췌)

흔히 이렇게들 표현한다. 이 소리는 무엇이냐
$$\begin{matrix} &{C}_{6}{H}_{6} & \\ &8\times 6+2\times 6 =&60 \\ -&4\times 6 + 1\times 6 =&30 \\ --&------&---- \\ & & 30/2=15 \end{matrix}$$
따라서 15개의 결합을 가지게 된다. 수소 6개에 결합개수 하나씩 주면 나머지는 9개가 남는데, 이 9개 가지고 탄소들끼리 결합해야 한다는 얘기다. 그래서, 각자 1.5씩 나눠 가져서 1.5결합을 형성한게 벤젠 결합이 된다. 이 특성은 몇 개의 탄소 원자가 위 그림처럼 이중결합을 형성하지 않는다는 것 이다(이중결합을 형성하게 되면 이중결합의 결합길이가 단일결합보다 배로 짧아지게 된다).