화학 고2 물질의 구조와 성질

루이스 전자점식

Q: 중심 원자는 어떻게 고르나요?

보통 전기음성도가 가장 작은 원자가 중심에 옵니다(CO2의 탄소, NH3의 질소). 수소는 결합을 하나밖에 못 만들므로 절대 중심이 될 수 없습니다. 그리고 대개 개수가 하나뿐인 원자가 중심입니다.

원자의 원자가 전자를 점으로 표시하여 결합 전자쌍과 비공유 전자쌍을 나타내는 구조 표현 방식이다.

원자가 전자를 점으로 찍어, 어느 전자가 결합에 쓰이고(공유 전자쌍) 어느 전자가 남아 있는지(비공유 전자쌍)를 한눈에 보여 주는 표기법입니다.

분자의 '배선도'입니다. 어떤 선이 어디에 연결되어 있고 어떤 단자가 비어 있는지를 그려 두면, 이 장치가 어떻게 생겼고 어떻게 반응할지를 읽어 낼 수 있습니다.

쉽게 말하면

공유 결합에서 원자들이 전자쌍을 나눠 갖는다는 것을 배웠습니다. 루이스 전자점식은 그 전자쌍이 정확히 어디에 몇 개 있는지를 종이에 적는 방법입니다.

규칙은 단순합니다. 원자가 전자만 점으로 찍고, 안쪽 껍질 전자와 원자핵은 원소 기호 하나로 뭉뚱그립니다. 두 원자가 함께 쓰는 전자쌍은 결합선( $-$ )으로, 한 원자에만 남아 있는 전자쌍은 점 두 개(비공유 전자쌍)로 그립니다.

이 그림이 중요한 이유는 비공유 전자쌍이 보이기 때문입니다. 화학식 $H_{2} O$ 만 봐서는 산소에 전자쌍 2개가 남아 있다는 사실을 알 수 없습니다. 그런데 물이 굽은 모양인 것도, 물이 극성인 것도, 물이 수소 이온을 받아 $H_{3} O^{+}$ 가 되는 것도 전부 이 남은 전자쌍 때문입니다. 화학식은 원자 수만 알려 주지만 루이스 구조는 전자가 어디 있는지를 알려 줍니다.

루이스 구조를 그릴 수 있으면 그다음이 줄줄이 딸려 옵니다. 전자쌍의 개수로 분자의 모양을 예측하고(전자쌍 반발 이론), 어느 구조가 더 그럴듯한지 따지고(형식 전하), 하나의 그림으로 안 되는 분자를 다룹니다(공명 구조).

이렇게 나타납니다

예시 1

물 — 결합 2쌍, 비공유 2쌍

$H - \ddot{\cdot\cdot O} - H$

산소의 원자가 전자 6개 중 2개는 수소와 결합에 쓰이고, 나머지 4개는 비공유 전자쌍 2개로 남습니다. 산소 주위 전자는 결합 전자쌍 2개 + 비공유 전자쌍 2개 = 8개(옥텟)이고, 수소는 각각 2개(듀엣)입니다.
예시 2

이산화 탄소 — 옥텟을 맞추려면 2중 결합이 필요

$O = C = O$

단일 결합만으로 이으면 탄소 주위에 전자가 4개밖에 안 되어 옥텟이 안 됩니다. 산소가 전자쌍을 하나씩 더 내주어 2중 결합을 만들면 탄소도 산소도 모두 8개가 됩니다. 전자가 모자라면 다중 결합을 의심하세요.
예시 3

암모니아의 비공유 전자쌍 하나가 하는 일

질소는 수소 3개와 결합하고 전자쌍 1개가 남습니다. 이 하나가 암모니아를 삼각뿔 모양으로 만들고, 이 하나가 $H^{+}$ 를 받아 $N H_{4}^{+}$ 를 만듭니다. 암모니아가 염기인 이유가 이 점 두 개에 다 들어 있습니다.

순서대로 하면

루이스 전자점식 그리는 순서

1분자 전체의 원자가 전자 수를 모두 더합니다. 이온이면 $(-)$ 전하만큼 더하고 $(+)$ 전하만큼 뺍니다.
2가운데 놓을 원자를 정합니다. 대개 전기음성도가 작은 원자(수소는 제외)가 중심에 옵니다.
3중심 원자와 주변 원자를 단일 결합으로 잇습니다. 결합 하나에 전자 2개를 씁니다.
4남은 전자를 바깥쪽 원자부터 채워 옥텟을 만듭니다(수소는 2개).
5그러고도 중심 원자가 옥텟이 안 되면, 바깥 원자의 비공유 전자쌍을 끌어와 2중·3중 결합으로 바꿉니다.
6마지막으로 전자 총수가 1단계에서 센 값과 같은지 확인합니다.

자주 하는 오해

수소에도 전자 8개를 채우려고 하기

이렇게 생각하기 쉬움옥텟 규칙이니까 물의 수소 주위에도 점을 8개 찍는다

실제로는수소는 K 껍질만 있어서 전자 2개가 꽉 찬 상태입니다(듀엣).

옥텟은 자연 법칙이 아니라 '바깥 껍질을 꽉 채우면 안정하다'는 원리의 결과입니다. 2주기 원소는 바깥 껍질에 8개가 들어가니 8개고, 수소는 K 껍질에 2개만 들어가니 2개입니다. 규칙을 외우지 말고 껍질에 몇 자리가 있는지를 물으세요. 헬륨이 8개가 아닌 2개로 안정한 것도 같은 이유입니다.

비공유 전자쌍을 '남는 전자'로 보고 빼먹기

이렇게 생각하기 쉬움결합에 안 쓰이는 전자쌍은 안 그려도 결과가 같다

실제로는비공유 전자쌍은 결합 전자쌍과 똑같이 공간을 차지하고, 오히려 더 세게 다른 전자쌍을 밀어냅니다.

이걸 빼먹으면 분자 모양 예측이 통째로 틀립니다.

C H_{4}

N H_{3}

H_{2} O

는 모두 중심 원자 주위에 전자쌍이 4개인데, 비공유 전자쌍이 0·1·2개로 다르기 때문에 정사면체·삼각뿔·굽은형으로 갈립니다. 그리지 않은 전자쌍은 없는 전자쌍이 아니라 잊어버린 전자쌍입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

공유 결합고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

공명 구조고2 옥텟 규칙 예외고2 전자쌍 반발 이론(VSEPR)고2 형식 전하고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1이온 결합 물질도 루이스 구조로 그릴 수 있나요?

그립니다. 다만 공유하는 전자쌍을 그리는 게 아니라, 전자가 완전히 넘어간 결과를 표시합니다. 나트륨은 점이 하나도 없는

N a^{+}

로, 염소는 점 8개를 가진

[Cl]^{-}

로 대괄호와 전하를 함께 씁니다.

Q2중심 원자는 어떻게 고르나요?

보통 전기음성도가 가장 작은 원자가 중심에 옵니다(

C O_{2}

의 탄소,

N H_{3}

의 질소). 수소는 결합을 하나밖에 못 만들므로 절대 중심이 될 수 없습니다. 그리고 대개 개수가 하나뿐인 원자가 중심입니다.

Q3그린 구조가 맞는지 어떻게 확인하나요?

전자 총수가 처음에 센 값과 같은지, 그리고 각 원자가 옥텟(수소는 듀엣)인지를 봅니다. 그래도 여러 구조가 가능하면 형식 전하로 어느 쪽이 더 그럴듯한지 가릅니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

전자쌍의 개수를 셌으면, 그것들이 서로 밀어내며 어떤 모양을 만드는지는 전자쌍 반발 이론(VSEPR)에서 결정됩니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

루이스 전자점식 지도에서 확인하기 →