화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

상자성과 반자성

홀전자가 있으면 상자성(자석에 끌림), 모든 전자가 쌍이면 반자성(자석에 밀림). 분자 오비탈 다이어그램으로 판단하며 O₂는 상자성이다.

홀전자가 하나라도 있으면 자기장에 약하게 끌리는 상자성, 모든 전자가 짝을 이루고 있으면 자기장에서 약하게 밀려나는 반자성입니다.

전자 하나하나가 아주 작은 자석이라고 생각해 보세요. 두 전자가 짝을 지으면 반대 방향으로 놓여 서로의 자기를 지웁니다. 짝을 못 찾은 전자가 남아 있어야 원자 전체가 자석 성질을 띱니다.

쉽게 말하면

전자는 스핀이라는 성질 때문에 그 자체가 아주 작은 자석처럼 행동합니다. 오비탈 하나에 전자 두 개가 들어갈 때는 스핀이 반드시 서로 반대여야 하므로, 두 작은 자석이 정확히 상쇄됩니다. 그래서 모든 전자가 짝을 짓고 있는 물질에는 남는 자기가 없습니다.

홀전자가 하나라도 남으면 이야기가 달라집니다. 지워지지 않은 작은 자석이 있으니, 바깥에서 자기장을 걸면 이 자석들이 자기장 방향으로 살짝 정렬해 물질 전체가 자기장 쪽으로 끌려갑니다. 이것이 상자성입니다. 반대로 짝이 다 맞는 물질은 걸린 자기장에 반발하는 방향으로 아주 약한 자기가 유도되어 밀려납니다. 이것이 반자성입니다.

그러므로 어떤 물질이 상자성인지 반자성인지는 '홀전자가 있는가' 하나로 결정됩니다. 원자라면 전자 배치를 써서 홀전자를 세면 되고, 분자라면 결합·반결합 오비탈 다이어그램을 채워서 세면 됩니다.

산소 분자가 이 개념의 대표 사례입니다. 루이스 구조로 $O_{2}$ 를 그리면 이중 결합에 고립 전자쌍만 남아, 모든 전자가 짝을 이룬 것처럼 보입니다. 그렇다면 반자성이어야 합니다. 그런데 액체 산소를 자석 사이에 부으면 실제로 자석에 매달립니다. 분자 오비탈 다이어그램을 채워 보면 반결합 $π^{*}$ 오비탈 두 곳에 훈트 규칙에 따라 전자가 하나씩 흩어져 들어가 홀전자가 2개 남습니다. 이론이 실험에 진 사례이자, 분자 오비탈 이론이 필요한 이유를 가장 선명하게 보여 주는 실험입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

액체 산소는 자석에 매달린다

액체 산소를 두 자극 사이에 흘려 넣으면 그대로 걸쳐져 고입니다. 반면 액체 질소는 그냥 통과해 떨어집니다. 질소 분자는 홀전자가 없어(결합 차수 3, 모든 전자가 짝) 반자성이기 때문입니다. 같은 공기 성분인데 자석 앞에서 행동이 갈립니다.
예시 2

원자에서 홀전자 세기

$N : 1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{3} (홀전자 3), Ne : 1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} (홀전자 0)$

질소 원자는 2p 오비탈 세 곳에 전자가 하나씩 흩어져 있어 홀전자가 3개, 상자성입니다. 네온은 2p가 꽉 차 모두 짝을 이루므로 홀전자가 0개, 반자성입니다. 전자 배치만 제대로 쓰면 자기적 성질은 바로 읽힙니다.
예시 3

$H_{2}$ 는 반자성

수소 분자는 결합 오비탈 $σ_{1 s}$ 에 전자 두 개가 스핀을 반대로 하여 짝지어 들어갑니다. 홀전자가 없으므로 반자성이고, 자기장에서 아주 약하게 밀려납니다. 밀려나는 힘이 워낙 작아 일상에서는 느끼지 못할 뿐, 반자성은 모든 물질에 존재하는 성질입니다.

상자성과 반자성

구분	상자성	반자성
홀전자	1개 이상 있음	없음(모두 짝지음)
자기장 속 행동	약하게 끌림	약하게 밀림
자기장을 없애면	자기가 사라짐	자기가 사라짐
예	$O_{2}$ , $NO$ , 대부분의 전이 금속 이온	$N_{2}$ , $H_{2}$ , $H_{2} O$ , 비활성 기체

자주 하는 오해

상자성을 영구 자석과 같은 것으로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움상자성 물질은 자석이니까 다른 쇠붙이도 끌어당길 것이다

실제로는상자성은 바깥 자기장이 걸려 있을 때만 나타나는 아주 약한 끌림입니다. 자기장을 치우면 자기는 즉시 사라집니다.

냉장고에 붙는 자석처럼 스스로 자기를 유지하는 것은 강자성이라는 다른 성질입니다. 상자성은 홀전자의 작은 자석들이 자기장 방향으로 잠깐 줄을 서는 것이고, 열운동 때문에 줄이 금방 흐트러집니다. 그래서 '자석에 끌린다 = 자석이다'가 아닙니다.

루이스 구조만 보고 자기적 성질을 판단하기

이렇게 생각하기 쉬움

O_{2}

의 루이스 구조에는 홀전자가 없으니 반자성이다

실제로는

O_{2}

는 실제로 상자성이며, 홀전자가 2개 있습니다.

루이스 구조는 전자를 두 원자 사이에 쌍으로 찍는 그림이라, 반결합 오비탈이라는 개념 자체가 없습니다. 산소의 마지막 두 전자는 에너지가 같은 두 개의

π^{*}

오비탈에 흩어져 들어가는데, 이 사실은 분자 오비탈 다이어그램을 그려야만 보입니다. 자기적 성질을 물으면 반드시 분자 오비탈로 확인하세요.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

결합·반결합 오비탈고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

스핀고3

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1홀전자가 많을수록 더 세게 끌리나요?

네. 지워지지 않은 작은 자석이 많을수록 자기장에 반응하는 정도가 커집니다. 그래서 전이 금속 이온의 자기적 성질을 재면 홀전자가 몇 개인지 거꾸로 알아낼 수 있고, 이것이 착화합물 구조를 밝히는 중요한 실험 수단이 됩니다.

Q2반자성은 왜 밀려나나요?

바깥 자기장이 걸리면 전자의 운동이 살짝 바뀌면서 그 자기장을 방해하는 방향으로 아주 작은 자기가 유도되기 때문입니다. 이 성질은 모든 물질에 있지만 힘이 매우 약해서, 홀전자가 있는 물질에서는 상자성이 이를 압도해 가려집니다.

Q3왜 산소가 상자성이라는 사실이 그렇게 중요한가요?

가장 흔한 분자 중 하나에서, 널리 쓰이던 루이스 구조가 틀린 예측을 내놓았기 때문입니다. 실험 결과 하나가 이론의 한계를 드러냈고, 분자 오비탈 이론이 그 자리를 설명하며 자리를 잡았습니다. 화학이 실험을 기준으로 이론을 고르는 학문임을 보여 주는 장면입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

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

오류 신고하기

같은 분자 오비탈 다이어그램에서 홀전자 대신 결합 세기를 읽으면 결합 차수와 결합 길이가 나옵니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

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

상자성과 반자성 지도에서 확인하기 →