[유기화학 1-4] 원자가 전자와 옥텟 규칙, 화학 결합 2016. 4. 17. 10:38
 유기화학 1-4 원자가 전자와 옥텟 규칙, 화학결합 전자 껍질과 최외각 전자, 그리고 옥텟 규칙을 만족하기 위해서 이루어지는 각종의 화학 결합들에 대해서 알아봅니다. 1. 전자 껍질과 최외각 전자 유기화학 1-2에서 전자 껍질과 궤도 함수에 대한 이야기들을 살펴 보았습니다. 원자 안에는 전자 껍질(electron shell)이 있다고 말씀드렸는데, 그 각각의 원자껍질 안에서는 전자들이 고유한 에너지를 가지고 존재하고 있습니다. 각각의 껍질에 들어갈 수 있는 전자의 개수는 다음과 같습니다. n=3까지만 보겠습니다.
표1에 나타난 것과 같이 가장 안쪽의 전자껍질(n=1)에는 전자가 2개, n=2에는 전자가 8개, n=3일때는 전자가 18개입니다. 각 원소는 고유의 원자 번호(atomic number)를 가지고 있습니다. 원자 번호는 원자가 원자핵 안에 가지고 있는 양성자의 개수입니다. 만약 원자 번호가 6인 탄소(C)의 경우에는 양성자가 6개 있는 것이지요. 이 탄소는 전기적으로 중성이므로 전자의 수도 6개입니다. 원자 번호는 원소의 왼쪽 아래 첨자로 나타냅니다. 그림1 몇몇 원소의 전자 배치 Li의 원자번호는 3, Be는 4, B는 5, C는 6입니다. 이해를 쉽게 하기 위해 부득이 보어의 원자 모형을 사용한 그림을 나타내었습니다. 위의 그림에서 원자 번호 3번인 Li 원자는 3개의 전자를 가지고 있고, 첫 번째 전자껍질에 2개. 두 번째 전자껍질에 1개의 전자가 들어 있습니다. 그래서 도합 3개입니다.(위의 표를 참조하면 첫번째 전자껍질에는 2개의 전자가 한계이고, 두 번째는 8개가 차면 풀방입니다.) 베릴륨(Be)의 경우, 전자가 4개이므로 첫 번째 껍질에 2개, 두 번째 껍질에 2개입니다. 붕소(B)와 탄소(C)도 이와 같은 방식으로 할 수 있습니다. 이때에 가장 바깥쪽 껍질에 있는 전자들을 최외각 전자(peripheral electron)라고 합니다. 위의 그림에서 Li 원자의 최외각 전자는 1개이며, Be는 2개, B는 3개, C는 4개입니다. 비슷한 개념으로 원자가 전자(valence electron)라는 개념도 있지만 조금 다릅니다. 아래에서 다시 설명드리겠습니다. 2. 18족 비활성 기체, 옥텟 규칙 이쯤에서 주기율표를 꺼내 보겠습니다. 표2 원자의 전자배치가 그려진 주기율표 주목해야 할 부분은 가장 오른쪽 열에 있는 18족 원자들입니다. (He, Ne, Ar) 이들을 비활성 기체라고 하는데요, 왜 비활성 기체들인지는 이들의 전자 배치를 눈여겨볼 필요가 있습니다. 그림2 18족 원자의 전자배치 그림을 보면 헬륨(He)의 경우 첫번째 전자껍질이 2개의 전자로 다 채워져 있습니다. 네온(Ne)의 경우도 첫 번째 전자껍질이 2개의 전자로 꽉 찼고, 두 번째 전자껍질도 8개로 풀방입니다. 아르곤(Ar)도 마찬가지이고요. 18족 원소들은 이렇게 껍질들이 전자로 가득 차있어서 전자를 주거나 받으려 하지 않고 그 상태로 있으려고 합니다. 즉 반응성이 낮습니다. 다른 원소들도 질 수 없겠지요? 다른 원소들도 전자를 얻거나 잃어서 18족 원소들처럼 안정하게 되고 싶어합니다. 즉 비활성기체(18족)들을 제외한 다른 원소들은 전자를 얻거나 잃는 것을 통해 비활성 기체와 같은 전자배치를 이루어 안정해지려는 경향을 가지고 있습니다. 이와 같은 경향을 옥텟 규칙(octet rule)이라고 합니다. 도레미파솔라시도~ 옥타브라고 하죠? 접미사 octa-는 8개라는 의미가 내포되어 있습니다. 전자껍질에 8개의 전자가 차기 때문이지요. 옥텟규칙을 우리말로 팔전자 규칙이라고 하기도 합니다. 3. 화학 결합 이렇게 저마다의 최외각 전자를 가지고 있는 원자들은 자기의 최외각 전자를 잃거나, 아니면 전자를 얻거나 해서 안정한 18족 원자처럼 되려는 경향이 있습니다. 18족 원소처럼 되기 위해 둘 이상의 원자들은 전자를 가지고 서로 상호작용합니다. 이온결합과 공유결합 이외에도 금속결합이 있지만 보지 않겠습니다. 주로 금속과 비금속이 결합하는 방식입니다. 1족의 원자들, 예를 들면 Li나 Na 원자들 같은 알칼리 금속에 속하는 원자들은 전자를 한 개 잃는 것을 잘 합니다. 원자가 전자가 한개이기 때문이죠. 만약 Li 원자가 전자를 한개 잃으면 n=1껍질에 전자가 2개 있는, 18족 원소 헬륨과 같은 전자 배치를 갖게 되는 것입니다. 반대로 F나 Cl 등과 같은 17족 할로젠 원소들은 전자를 하나 얻는 것을 잘합니다. 원자가 전자가 옥텟 규칙을 만족하기에는 한 개씩 모자라기 때문에 역시 전자를 1개 얻어 18족 원소처럼 되려고 하기 때문입니다. 이렇게 한쪽에서는 전자를 한 개 잃으려고 하고, 한쪽에서는 전자를 한 개 얻으려고 하려는 경향이 맞아떨어지기 때문에 이 둘은 쉽게 결합을 이룰 수 있습니다. 그림3 염화소듐(NaCl)의 이온 결합 형성. Na 원자는 전자를 일방적으로 주고, Cl 원자는 전자를 일방적으로 받습니다. (2) 공유결합(covalent bond) 1. 공유결합 주로 비금속과 비금속이 결합하는 방식입니다. 이온 결합처럼 일방적으로 전자를 뺏고 빼앗기는 방식이 아니라, 서로 가지고 있는 전자를 공유하는 방식입니다. 위의 NaCl의 예에서 Na는 전자를 일방적으로 빼앗겨서 Na+ 이온이 되고, Cl은 전자를 1개 얻어 Cl- 이온이 되는 것을 확인했습니다. 하지만 공유 결합은 다릅니다. 그림4 공유 결합을 통한 수소 분자(H2) 형성 수소 원자 두 개가 모여 수소 분자를 형성하면서 두 수소 원자 모두 각각 전자가 두 개가 되어 옥텟 규칙을 만족했습니다. 하지만 위의 예에서 두 수소 원자 중 어떤 것도 전자를 잃어 수소 이온(H+)로 되지 않았습니다. 전자를 공유하기 때문에 두 수소 원자는 각각 전자를 두 개씩 가지는 효과를 얻을 수 있는 것입니다. 공유결합의 형성은 바로 이렇게 이루어집니다. 비금속 원소가 서로 전자를 내놓아 쌍을 이루고, 이 전자쌍을 공유하여 결합하는 것입니다. 유기화학은 탄소에 관한 학문입니다. 탄소의 공유결합을 보지 않을 수 없습니다.
그림5 메테인(Methane)의 형성 탄소 원자는 최외각 전자를 4개 가지고 있습니다. 그래서 4개의 전자를 더 얻어 옥텟 규칙을 만족하고 싶어합니다. 탄소는 이를 위해 4개의 원자와 전자를 각각 공유하여 8개를 채우려는 경향이 있습니다. 탄소는 즉 네 개의 원자와 결합할 수 있습니다. 팔이 네 개인 것입니다. 2. 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 위에서 본 탄소 원자는 원자가 전자 4개가 모두 공유결합에 참여했습니다. 그렇지 않습니까? 그런데 이를테면 Cl 원자 두 개가 결합하는 것을 생각해 보면, 모든 원자가전자가 공유결합에 참여하는 것은 아니라는 것을 알 수 있습니다. 그림6 염소 분자의 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 결합은 전자를 공유하는 것입니다. 3. 결합선 1개 = 공유 전자쌍 1개 공유결합은 다음 그림에서 보는 것과 같이 선을 사용해서 나타낼 수 있는데요, 선 한 개는 공유 전자쌍 한 개를 나타냅니다. 비공유 전자쌍은 그대로 점으로 나타냅니다.아래의 예에서는 결합선이 1개니까 단일 결합(single bond)이라고 부릅니다.
그림7 결합선을 사용하여 나타낸 염소 분자의 구조식 공유 전자쌍을 선으로 나타내었습니다. 염소 분자를 형성할 때, 염소 원자의 7개의 최외각 전자중에서 단 1개만 공유결합에 참여합니다. 그렇게 하면 18족 원자처럼 되는 데 충분하니까요. 즉 각각의 염소 원자에서 한 개씩 전자를 내놓아서 공유했으니까, 반응한 전자는 한 쌍이 되겠군요. 이렇게 공유결합에 참여한 전자들을 공유 전자쌍(shared electron pair), 그렇지 않은 전자들을 비공유 전자쌍(unshared electron pair)이라고 부릅니다. 4. 최외각 전자? 원자가 전자? 뭐가 다르지? ㅠㅠ 최외각 전자는 말그대로 가장 바깥쪽 전자껍질에 있는 전자들입니다. 하지만 원자가 전자는 반응에 참여하는 전자들을 의미합니다. 대부분의 경우에서 원자가 전자수와 최외각 전자수는 같습니다. 탄소(C)의 최외각 전자수는 4이고 반응에 참여하는 원자가 전자 수도 4입니다. 하지만 18족 비활성 기체들에서 예외가 나타나는데요, 이들은 반응을 하지 않기 때문입니다. 비활성 기체 네온(Ne, 18족)의 경우, 최외각 전자는 8개이지만 반응에 참여하는 전자가 없기 떄문에 원자가전자수는 0이지요.
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최외각 전자의 궤도함수 그림이 다음과 같은 이온이 어떤 것인지 밝히시오
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