원자가

3. 정의

원자가는 국제순수·응용화학연합(IUPAC)에 의해 다음과 같이 정의된다.^[1]

:"고려 중인 원소의 원자 또는 조각과 결합할 수 있는 최대 일가 원자(원래는 수소 또는 염소 원자)의 수, 또는 이 원소의 원자가 치환될 수 있는 수."

이는 주어진 원소의 원자가 다른 원자와 결합할 수 있는 능력을 나타내는 척도로, 주로 수소나 염소 원자와 결합하는 수를 기준으로 한다.

하지만, 수소는 원자가 전자가 하나뿐이지만, 하나 이상의 원자와 결합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 플루오르화수소산이온([HF₂]^-)에서는 두 개의 플루오르 원자와 3중심 4전자 결합을 형성한다.

또 다른 예로 다이보레인(B₂H₆)의 3중심 2전자 결합이 있다.

3. 1. 현대적 설명

4. 일반적인 원자가

주족 원소의 경우, 원자가는 1에서 8까지 다양할 수 있다. 많은 원소들은 주기율표에서의 위치와 관련된 일반적인 원자가를 가지며, 오늘날 이것은 옥텟 규칙에 의해 설명된다.^[16] 전이 금속과 오른쪽에 있는 금속들은 일반적으로 다원자가이지만, 그들의 원자가를 예측하는 간단한 패턴은 없다.^[16]

단일 전하를 갖는 종은 일가(일원자)이다. 예를 들어, Cs⁺ 양이온은 일가 또는 일원자 양이온인 반면, Ca²⁺ 양이온은 이가 양이온이며, Fe³⁺ 양이온은 삼가 양이온이다. Cs와 Ca와 달리 Fe는 다른 전하 상태, 특히 2+와 4+로도 존재할 수 있으며, 따라서 다원자 이온으로 알려져 있다.^[15]

† 동일한 형용사는 백신 원자가를 나타내는 의학에서도 사용되지만, 후자의 의미에서는 ''quadri-''가 ''tetra-''보다 더 일반적이다.

‡ Google 웹 검색 및 Google 도서 검색 코퍼스에서의 히트 수로 확인됨(2017년 액세스).

§ 몇 가지 다른 형태는 대규모 영어 코퍼스에서 발견될 수 있지만(예: ''*quintavalent, *quintivalent, *decivalent''), 이들은 영어에서 관례적으로 확립된 형태가 아니므로 주요 사전에 수록되지 않았다.

5. 원자가와 산화 상태

원자가는 주어진 원소가 결합할 수 있는 능력으로, 수소 원자와 결합하는 수로 결정된다. 예를 들어, 메테인에서 탄소의 원자가는 4이고, 암모니아에서 질소의 원자가는 3이다.^[2]

원자가는 결합의 수를 나타내는 반면, 산화 상태는 원자가 얻거나 잃은 전자의 수를 나타낸다. 산화 상태는 양수 또는 음수일 수 있다.

주기율표의 주족 원소의 경우 원자가는 1에서 8까지 다양할 수 있다. 많은 원소들은 주기율표에서의 위치와 관련된 일반적인 원자가를 가지며, 오늘날 이것은 옥텟 규칙에 의해 설명된다. 전이 금속과 오른쪽에 있는 금속들은 일반적으로 다원자가이지만, 그들의 원자가를 예측하는 간단한 패턴은 없다.^[16]

그리스어/라틴어 수 접두사(모노-/유니-, 디-/바이-, 트라이-/터- 등)는 각각 1, 2, 3 등의 전하 상태의 이온을 설명하는 데 사용된다. "다원자가" 또는 "다가"는 특정 수의 원자가 결합으로 제한되지 않는 종을 가리킨다. 단일 전하를 갖는 종은 일가(일원자)이다. 예를 들어, Cs+ 양이온은 일가 또는 일원자 양이온인 반면, Ca(2+) 양이온은 이가 양이온이며, Fe(3+) 양이온은 삼가 양이온이다. Cs와 Ca와 달리 Fe는 다른 전하 상태(2+, 4+)로도 존재할 수 있으며, 따라서 다원자 이온으로 알려져 있다.^[15]

5. 1. 예시

원자가와 산화 상태의 차이: 서로 다른 두 원소 간의 결합

화합물	화학식	원자가	산화 상태	그림
염화수소	HCl	H = 1, Cl = 1	H = +1, Cl = −1
과염소산 *	HClO₄	H = 1, Cl = 7, O = 2	H = +1, Cl = +7, O = −2
메테인	CH₄	C = 4, H = 1	C = −4, H = +1
디클로로메테인	CH₂Cl₂	C = 4, H = 1, Cl = 1	C = 0, H = +1, Cl = −1
산화철(II) *	FeO	Fe = 2, O = 2	Fe = +2, O = −2
산화철(III) ***	Fe₂O₃	Fe = 3, O = 2	Fe = +3, O = −2
수소화나트륨	NaH	Na = 1, H = 1	Na = +1, H = −1

원자가와 산화 상태의 차이: 같은 원소의 두 원자 간의 결합

화합물	화학식	원자가	산화 상태	그림
수소	H₂	H = 1	H = 0
염소	Cl₂	Cl = 1	Cl = 0
과산화수소	H₂O₂	H = 1, O = 2	H = +1, O = −1
히드라진	N₂H₄	H = 1, N = 3	H = +1, N = −2
십불화이황	S₂F₁₀	S = 6, F = 1	S = +5, F = −1
다이티온산	H₂S₂O₆	S = 6, O = 2, H = 1	S = +5, O = −2, H = +1
헥사클로로에탄	C₂Cl₆	C = 4, Cl = 1	C = +3, Cl = −1
에틸렌	C₂H₄	C = 4, H = 1	C = −2, H = +1
아세틸렌	C₂H₂	C = 4, H = 1	C = −1, H = +1
염화제일수은	Hg₂Cl₂	Hg = 2, Cl = 1	Hg = +1, Cl = −1

• 과염소산 이온(ClO₄⁻)은 원자가가 1인 일가 이온이다.

• * 디클로로메테인(CH₂Cl₂)처럼 결합의 극성이 다르면 원자가는 산화 상태의 절댓값과 다를 수 있다.

• ** 산화철은 결정 구조를 가지므로, 전형적인 분자는 확인할 수 없다.

6. 원자가와 관련된 접미사

† 동일한 형용사는 백신 원자가를 나타내는 의학에서도 사용되지만, 후자의 의미에서는 ''quadri-''가 ''tetra-''보다 더 일반적이다.

‡ Google 웹 검색 및 Google 도서 검색 코퍼스에서의 히트 수로 확인됨(2017년 액세스).

§ 몇 가지 다른 형태는 대규모 영어 코퍼스에서 발견될 수 있지만(예: ''*quintavalent, *quintivalent, *decivalent''), 이들은 영어에서 관례적으로 확립된 형태가 아니므로 주요 사전에 수록되지 않았다.

7. 원자가 전자의 역할

러더퍼드 모형(1911)은 원자 외부에 전자가 존재함을 보여주며, 이는 전자가 원자의 상호작용과 화학 결합 형성에 관여함을 시사한다.^[12] 1916년, 길버트 N. 루이스는 주족 원소가 8개의 원자가 껍질 전자를 갖는 안정적인 옥텟을 얻으려는 경향으로 원자가와 화학 결합을 설명했다. 루이스에 따르면, 공유 결합은 전자 공유를 통해 옥텟을 형성하고, 이온 결합은 전자를 한 원자에서 다른 원자로 이동시켜 옥텟을 형성한다. 1919년 어빙 랭뮤어는 "주어진 원자가 인접한 원자와 공유하는 전자쌍의 수를 그 원자의 ''공유 원자가''라고 한다"라고 언급하면서 '공유 원자가'라는 용어를 도입했다.^[12] 접두사 ''co-''는 "함께"를 의미하므로, 공유 결합은 원자가가 공유됨을 의미한다. 이후 화학 결합 이론의 발전으로 고급 연구에서는 ''공유 결합''이라는 용어를 더 많이 사용하고 ''원자가''는 사용 빈도가 줄었지만, 기초 연구에서는 여전히 널리 사용된다.

1930년대에 라이너스 폴링은 공유 결합과 이온 결합의 중간인 극성 공유 결합이 있으며, 이온 결합 정도는 두 결합 원자의 전기 음성도 차이에 따라 달라진다고 제안했다.

폴링은 또한 주족 원소가 옥텟 규칙이 허용하는 최대 4개를 초과하는 원자가를 갖는 초원자가 분자를 고려했다. 예를 들어, 육불화황 분자에서 폴링은 황이 하나의 s, 세 개의 p, 두 개의 d 궤도 함수를 결합하는 sp³d² 혼성 원자 궤도 함수를 사용하여 6개의 진정한 2전자 결합을 형성한다고 생각했다. 그러나 최근 이 분자와 유사한 분자에 대한 양자 역학적 계산은 결합에서 d 궤도 함수의 역할이 미미하고, 육불화황 분자는 옥텟 규칙에 따라 황의 네 개 궤도 함수(하나의 s와 세 개의 p)와 플루오린의 여섯 개 궤도 함수로 만들어진 6개의 극성 공유(부분적으로 이온성) 결합을 갖는 것으로 설명되어야 함을 보여주었다.^[13] 전이 금속 분자에 대한 유사한 계산은 p 궤도 함수의 역할이 미미하여 금속의 하나의 s와 다섯 개의 d 궤도 함수만으로 결합을 설명하기에 충분함을 보여준다.^[14]

참조

_[1] 웹사이트 valence http://goldbook.iupa[...]
_[2] 리다이렉트
_[3] 어원 valence
_[4] 서적 A text-book of inorganic chemistry for university students
_[5] 서적 A Short History of Chemistry https://archive.org/[...] Dover Publications, Inc
_[6] 논문 On a New Series of Organic Bodies Containing Metals
_[7] 서적 Chemical Atomism in the Nineteenth Century: From Dalton to Cannizzaro Ohio State University Press
_[8] 논문 Valence, Oxidation Number, and Formal Charge: Three Related but Fundamentally Different Concepts
_[9] 서적 The electronic theory of valency Oxford University Press (Clarendon Press)
_[10] 논문 Über den. Zusammenhang des Abschlusses der Elektronengruppen im Atom mit den chemischen Valenzzahlen
_[11] 논문 Valence, Covalence, Hypervalence, Oxidation State, and Coordination Number
_[12] 논문 The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules https://zenodo.org/r[...]
_[13] 논문 Hypercoordinate molecules of second-row elements: d functions or d orbitals?
_[14] 서적 The Chemical Bond: Chemical Bonding Across the Periodic Table Wiley – VCH
_[15] 웹사이트 Merriam-Webster's Unabridged Dictionary http://unabridged.me[...] Merriam-Webster 2017-05-11
_[16] 웹사이트 Lesson 7: Ions and Their Names http://dl.clackamas.[...] 2019-02-05
_[17] 웹사이트 valence http://medical-dicti[...]
_[18] 웹사이트 Lambda
_[19] 웹사이트 Oxidation state
_[20] 서적 Lecture notes for chemical students(Google eBook) https://books.google[...] J. Van Voorst
_[21] 서적 Inorganic chemistry
_[22] 논문 Glossary of terms used in physical organic chemistry (IUPAC Recommendations 1994) https://archive-ouve[...]