9.11: 형식 전하

어떤 경우에는 분자와 다원자 이온에 대해 하나 이상의 유효한 루이스 구조가 있는 것처럼 보입니다. 형식 전하의 개념은 둘 이상의 합리적인 구조가 존재할 때 가장 적절한 루이스 구조를 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.

형식 전하 계산

분자 내 원자의 형식 전하는 결합의 전자가 원자 사이에 고르게 분포되어 있는 경우 원자가 가질 수 있는 가상 전하입니다. 대안적으로, 형식 전하는 중성 원자의 원자가 전자 수에서 비결합 전자가 먼저 감소되고 루이스 구조에서 해당 원자에 연결된 결합 수를 뺄 때 발생합니다.

따라서 형식 전하는 다음과 같이 계산됩니다.

형식 전하 계산은 전체 구조에 대한 형식 전하 합계를 결정하여 다시 확인할 수 있습니다. 분자 내 모든 원자의 형식 전하의 합은 0이어야 합니다. 이온의 형식 전하의 합은 이온의 전하와 같아야 합니다. 원자에 대해 계산된 형식 전하는 분자 내 원자의 실제 전하가 아니라는 점을 기억하세요. 형식 전하는 유용한 장부 절차일 뿐입니다. 이는 실제 전하가 있음을 나타내지는 않습니다.

루이스 구조에서 형식 전하 계산하기

인터할로겐 이온 ICl_4^−의 각 원자에 형식 전하를 할당하려면 다음 단계를 따릅니다.

Step 1. 모든 I-Cl 결합에 대해 결합 전자쌍을 동일하게 나눕니다.

Step 2. 비공유 전자쌍을 원자에 할당합니다. 이제 각 염소 원자에는 7개의 전자가 할당되고, 요오드 원자에는 8개의 전자가 할당됩니다.

Step 3. 중성 원자의 원자가 전자 수에서 이 숫자를 뺍니다.

요오드: 7 – 8 = –1

염소: 7 – 7 = 0

모든 원자의 형식 전하의 합은 -1이며, 이는 이온의 전하(-1)와 동일합니다.

형식 전하를 사용하여 분자 구조 예측

분자나 이온의 원자 배열을 분자 구조라고 합니다. 많은 경우 루이스 구조를 작성하는 단계를 따르면 여러 개의 서로 다른 결합과 고립전자쌍 배치 또는 서로 다른 원자 배열 등 하나 이상의 가능한 분자 구조가 생성될 수 있습니다. 형식 전하와 관련된 몇 가지 지침은 가능한 구조 중 특정 분자 또는 이온에 대해 가장 가능성이 높은 구조를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

1. 모든 형식 전하가 0인 분자 구조는 일부 형식 전하가 0이 아닌 분자 구조보다 바람직합니다.
2. 루이스 구조가 0이 아닌 형식 전하를 가져야 한다면 가장 작은 0이 아닌 형식 전하를 갖는 배열이 바람직합니다.
3. 루이스 구조는 인접한 형식 전하가 0이거나 반대 부호일 때 선호됩니다.
4. 유사한 형식 전하 분포를 갖는 여러 루이스 구조 중에서 선택할 때 전기 음성도가 더 높은 원자에 음의 형식 전하를 갖는 구조가 바람직합니다.

이러한 지침이 어떻게 적용되는지 보려면 이산화탄소, CO_2의 몇 가지 가능한 구조를 생각해보세요. 일반적으로 전기음성도가 낮은 원자가 중심 위치를 차지하는 것으로 알려져 있지만 형식 전하는 이것이 왜 발생하는지 이해하는 데 도움이 됩니다. 구조에 대한 세 가지 가능성이 그려질 수 있습니다. 중앙에 두 개의 이중 결합이 있는 탄소, 중앙에 단일 및 삼중 결합이 있는 탄소, 중앙에 이중 결합이 있는 산소가 있습니다.

세 가지 형식 전하를 비교할 때 왼쪽의 구조는 형식 전하가 0이므로 바람직한 것으로 식별할 수 있습니다.

또 다른 예로서, 탄소 원자, 질소 원자 및 황 원자로 형성된 이온인 티오시아네이트 이온은 NCS-, CNS- 또는 CSN-의 세 가지 다른 분자 구조를 가질 수 있습니다. 이러한 각 분자 구조에 존재하는 형식 전하는 가장 가능성이 높은 원자 배열을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 가능한 루이스 구조와 티오시안산염 이온의 세 가지 가능한 구조 각각에 대한 형식 전하는 이중 결합이 있는 중앙의 탄소, 이중 결합이 있는 중앙의 질소, 이중 결합이 있는 중앙의 황입니다.

각 경우의 형식 전하의 합은 이온의 전하(-1)와 같습니다. 그러나 중앙에 탄소가 있는 원자의 첫 번째 배열은 0이 아닌 형식 전하를 갖는 원자 수가 가장 적기 때문에 선호됩니다. 또한, 전기 음성도가 가장 낮은 원자를 중앙에 배치하고 전기 음성도가 더 높은 원소에 음전하를 배치합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Chapter 7.4 Formal Charges and Resonance.

어떤 분자나 다원자 이온은 여러 개의 루이스 구조로 표현될 수 있는데 어떤 것이 주된 구조인지 어떻게 결정할까요? 원자의 형식 전하를 계산하면 분자의 실제 구조에 가장 가까운 루이스 구조를 결정할 수 있습니다. 각 원자에는 형식 전하라고 불리는 가상적인 전하가 할당되는데 이것은 분자 내의 모든 원자들이 동일한 전기음성도를 가지고 있는 경우 원자에 대한 전하가 될 것입니다.

이 때 각각의 결합 전자가 두 원자에 의해 동등하게 공유된다고 가정합니다. 염화수소를 생각해 봅시다. 각 원자의 형식 전하를 결정하려면 먼저 결합 전자 수의 절반에 비결합 전자 수를 더한 다음 원자가 전자 수에서 얻은 값을 뺍니다.

분자 또는 이온의 모든 형식 전하의 합계는 분자 또는 이온의 순 전하와 동일합니다. 예를 들어, 아산화질소는 3개의 가능한 루이스 구조로 표현될 수 있습니다. 하나는 질소 원자 사이의 두 개의 이중 결합, 하나는 질소 원자 사이의 삼중 결합, 그리고 하나는 질소와 산소 사이에 삼중 결합입니다.

이 모든 것이 옥텟을 만족시킵니다. 최선의 루이스 구조는 형식 전하 계산으로 확인됩니다. 질소는 5개의 원자가 전자를 가지고 있고, 산소는 6개의 원자가 전자를 가지고 있습니다.

비결합 전자 수와 결합 전자 수의 절반에 기반하여 계산하면 각 구조에 대한 형식 전하를 얻습니다. 아산화질소는 중성 분자이기 때문에 모든 형식 전하의 합은 0이어야 합니다. 일반적으로 주된 루이스 구조에서 개별 원자의 형식 전하는 0에 가장 가깝습니다.

따라서, 형식 전하량이 더 높은 세 번째 구조는 무시할 수 있습니다. 또한, 음의 형식 전하가 존재한다면, 가장 전기음성도가 높은 원자에 의해 운반되어야 합니다. 산소가 질소보다 전기적으로 더 음성이기 때문에 산소에 음의 형식 전하가 있는 두 번째 구조가 아산화질소의 주된 구조로 적합합니다.

형식 전하는 분자나 원자의 실제 전하가 아니라 문서상의 관례입니다. 분자의 실제 전하는 구성 원자들 사이의 전기 음성도의 차이를 포함한 몇 가지 요인에 의해 좌우됩니다.