화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

형식 전하

루이스 구조에서 전자를 동등 분할했을 때 각 원자에 귀속되는 가상 전하. 형식 전하의 합 = 분자/이온의 전체 전하이며, 가장 안정한 구조는 형식 전하가 0에 가깝다.

루이스 구조에서 공유 전자쌍을 두 원자가 정확히 반씩 나눠 가졌다고 가정했을 때, 각 원자에 남는 가상의 전하입니다.

둘이 함께 산 물건을 '무조건 반반씩 낸 것으로 치자'고 정한 회계 장부입니다. 실제로 누가 더 많이 냈는지는 따지지 않습니다. 이 규칙 덕분에 여러 후보 구조 중 어느 것이 그럴듯한지 빠르게 비교할 수 있습니다.

쉽게 말하면

루이스 전자점식을 그리다 보면 같은 분자에 대해 여러 구조를 그릴 수 있는 경우가 생깁니다. 어느 것이 실제에 가까울까요? 이를 판정하는 도구가 형식 전하입니다.

$형식 전하 = (원자가 전자 수) - (고립 전자 수) - (결합 수)$

고립 전자쌍의 전자는 그 원자가 통째로 갖고, 결합에 참여한 전자쌍은 반씩 나눈다고 셉니다. 결합 하나당 전자 하나씩 가져가는 셈이므로 결합 수를 빼면 됩니다.

형식 전하를 쓰는 방법은 두 가지입니다. 첫째, 검산입니다. 모든 원자의 형식 전하를 더하면 반드시 그 분자나 이온의 전체 전하와 같아야 합니다. 중성 분자면 합이 0, $N H_{4}^{+}$ 면 합이 $+ 1$ 입니다. 합이 안 맞으면 전자를 잘못 배치한 것입니다.

둘째, 구조 선택입니다. 형식 전하가 0에 가까울수록 안정한 구조이고, 어쩔 수 없이 전하가 생긴다면 음의 형식 전하는 전기음성도가 큰 원자에 놓이는 쪽이 더 그럴듯합니다. 여러 후보 중 이 조건을 잘 만족하는 것을 고르면 됩니다.

주의할 점은 형식 전하가 '실제 전하'가 아니라는 것입니다. 전자를 반반으로 나눈다는 가정 자체가 현실과 다르기 때문입니다. 형식 전하는 어디까지나 구조를 비교하기 위한 장부상의 숫자입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$N H_{4}^{+}$ 의 질소

$5 - 0 - 4 = + 1$

질소는 원자가 전자가 5개, 고립 전자쌍은 없고, 결합이 4개입니다. 따라서 형식 전하는 $+ 1$ 입니다. 수소 넷은 각각 $1 - 0 - 1 = 0$ 이므로 전체 합이 $+ 1$ 이 되어 이온의 전하와 일치합니다. 검산이 맞습니다.
예시 2

$H_{2} O$ 의 산소

$6 - 4 - 2 = 0$

산소는 원자가 전자 6개, 고립 전자쌍 2개(전자 4개), 결합 2개입니다. 형식 전하가 0으로 깔끔하게 나오고, 수소도 0입니다. 모든 원자의 형식 전하가 0인 구조는 대체로 매우 안정한 구조입니다.
예시 3

형식 전하로 구조를 고르기 — $C O_{2}$

$O = C = O$ (이중결합 2개)로 그리면 세 원자의 형식 전하가 모두 0입니다. 반면 $O - C \equiv O$ 처럼 그리면 한쪽 산소에 $- 1$ , 다른 산소에 $+ 1$ 이 생깁니다. 전하가 0에 가까운 앞쪽 구조가 실제와 더 가깝고, 실험으로 측정한 두 결합의 길이가 같다는 사실도 이를 뒷받침합니다.

순서대로 하면

형식 전하로 루이스 구조 검증하는 순서

1후보 루이스 구조를 그립니다. 결합과 고립 전자쌍을 빠짐없이 표시합니다.
2원자마다 (원자가 전자 수) − (고립 전자 수) − (결합 수)를 계산합니다.
3모든 형식 전하를 더해 분자나 이온의 전체 전하와 같은지 확인합니다. 다르면 전자 배치가 틀렸습니다.
4여러 후보가 있으면, 형식 전하의 절댓값이 작은 구조를 고릅니다.
5전하가 남는다면 음의 형식 전하가 전기음성도 큰 원자에 놓인 구조를 고릅니다.

형식 전하와 산화수 — 둘 다 '가상의 전하'지만 나누는 방식이 다르다

구분	형식 전하	산화수
공유 전자쌍을 나누는 법	두 원자가 정확히 반씩	전기음성도가 큰 원자가 전부 가져감
무엇에 쓰는가	루이스 구조 후보 중 안정한 것 고르기	산화·환원 여부 판정
$H_{2} O$ 의 산소	0	$- 2$
실제 전하인가	아니오(장부상 숫자)	아니오(장부상 숫자)

자주 하는 오해

형식 전하를 실제 전하로 읽기

이렇게 생각하기 쉬움

N H_{4}^{+}

의 질소는 형식 전하가

+ 1

이니 실제로 양전하 하나를 띠고 있다

실제로는형식 전하

+ 1

은 '전자를 반반씩 나눴다고 가정한 장부'의 결과일 뿐, 질소 원자에 실제로

+ 1

의 전하가 몰려 있는 것은 아닙니다.

질소는 수소보다 전기음성도가 커서 실제로는 공유 전자를 자기 쪽으로 더 끌어옵니다. 그래서 실제 전자 분포로 보면 질소 쪽이 오히려 부분 음전하에 가깝습니다. 형식 전하는 현실의 전하 분포를 재는 도구가 아니라, 여러 그림 중 하나를 고르기 위한 계산 규칙입니다.

형식 전하와 산화수를 같은 방식으로 계산하기

이렇게 생각하기 쉬움

H_{2} O

의 산소는 전기음성도가 크니 형식 전하도

- 2

다

실제로는형식 전하는 0이고,

- 2

인 것은 산화수입니다.

두 값은 전자를 나누는 규칙 자체가 다릅니다. 형식 전하는 전기음성도를 아예 보지 않고 무조건 반반으로 나누고, 산화수는 전기음성도가 큰 원자가 공유 전자를 전부 가져간다고 봅니다. 그래서 같은 원자에서도 두 값이 다르게 나옵니다. 어느 규칙으로 나눌지를 먼저 정하고 계산해야 합니다.