형식 전하
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
형식 전하는 분자 내 원자의 전하 분포를 추정하는 데 사용되는 개념으로, 원자가 전자 수에서 비공유 전자쌍의 전자 수와 공유 전자쌍의 절반을 뺀 값으로 계산한다. 형식 전하는 0에 가까울수록 결합이 안정적이며, 안정성 예측, 공명 구조 평가, 반응성 예측 등에 활용된다. 형식 전하는 산화수와 함께 분자 내 전자 분포를 평가하는 도구로 사용되며, 실제 전자 분포는 형식 전하와 산화수의 중간 지점에 위치한다. 유기화학에서는 형식 전하를 명확히 표기하지만, 무기화학에서는 전체 전하만 표시하는 경우가 많다.
더 읽어볼만한 페이지
- 전하 - 전하 밀도
전하 밀도는 단위 부피, 면적, 길이당 전하량을 나타내는 물리량으로, 연속적인 경우 선, 면, 체적 전하 밀도로 표현하고 불연속적인 경우 디랙 델타 함수를 사용하여 표현하며, 유전체 내에서는 자유 전하와 결합 전하로 구분되고 양자역학에서는 파동함수의 제곱과 관련되는 등 다양한 분야에서 활용된다. - 전하 - 라이스너–노르드스트룀 블랙홀
라이스너-노르드스트룀 블랙홀은 전하를 띠고 회전하지 않는 블랙홀을 묘사하는 아인슈타인 방정식의 해로서, 아인슈타인-맥스웰 방정식을 통해 유도되며, 질량과 전하량에 따라 시공간 구조가 달라지고 특이점이 노출될 수 있는 특징을 가진다. - 화학 결합 - 원자가 전자
원자가 전자는 원자의 최외각 전자껍질에 존재하며 화학적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하고, 주족 원소는 최외각 전자껍질의 전자로 정의되지만 전이 원소는 (n-1)d 궤도의 전자도 포함하며, 주기율표 족에 따라 예측 가능하지만 예외도 존재하고, 화학 결합, 산화 상태, 전기 전도도에 영향을 미친다. - 화학 결합 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. - 물리량 - 전위
전위는 전기장 내 단위 전하의 위치 에너지로, 정전기학에서는 기준점에 따라 정의되며 전위차만이 의미를 갖고, 전기장의 음의 기울기로 표현되고, 전기 공학에서는 회로 해석에 활용된다. - 물리량 - 전기장
전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다.
| 형식 전하 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 이름 | 형식 전하 |
| 로마자 표기 | Hyeongsik Jeonha |
| 정의 | 분자 내에서 원자가 공유 결합을 통해 전자를 주고받았다고 가정했을 때, 각 원자에 할당되는 가상의 전하 |
| 기호 | q* |
| 관련 개념 | 원자가 껍질 전자 |
| 계산 | |
| 공식 | q* = V - L - (1/2)B |
| V | 자유 원자의 원자가 껍질 전자 수 |
| L | 원자에 있는 비공유 전자 수 |
| B | 원자에 있는 공유 전자 수 |
2. 형식 전하 계산 방법
형식 전하는 다음과 같이 계산한다.
:형식 전하 = 원자가 전자 수 - 비공유 전자쌍의 전자 수 - 1/2(공유 전자쌍의 전자 수) = 원자가 전자 수 - 해당 원자에 속한 전자 수.
- 예시: CO2는 총 16개의 원자가 전자를 가진 중성 분자이다. 루이스 구조를 그리는 방법은 여러 가지가 있다.
- * 탄소가 두 산소 원자와 단일 결합 (탄소 = +2, 산소 = 각 -1, 총 형식 전하 = 0)
- * 탄소가 한 산소와 단일 결합하고 다른 산소와 이중 결합 (탄소 = +1, 산소이중 = 0, 산소단일 = -1, 총 형식 전하 = 0)
- * 탄소가 두 산소 원자와 이중 결합 (탄소 = 0, 산소 = 0, 총 형식 전하 = 0)
세 가지 구조 모두 총 전하가 0을 나타내지만, 최종 구조가 분자에 전하가 전혀 없기 때문에 더 우수한 구조이다.
다음은 형식 전하를 구하는 과정이다.
- 형식 전하를 구하려는 원자에 원을 그린다.
- 원 안에 있는 전자의 수를 센다. 원이 공유 결합을 "반으로" 자르기 때문에, 각 공유 결합은 2개가 아닌 1개의 전자로 계산된다.
- 원 안의 전자의 수에서 고립된(바닥 상태의) 중성 원자의 원자가 전자의 수를 빼서 형식 전하를 결정한다.
- 이산화 탄소의 루이스 구조에서 나머지 원자에 대해 계산된 형식 전하는 아래에 표시된다.
형식 전하는 말 그대로 '''형식적'''이라는 점을 명심하는 것이 중요하다. 즉, 이 시스템은 형식주의이다. 형식 전하 시스템은 분자가 형성될 때 각 원자가 가져오는 모든 원자가 전자를 추적하는 방법일 뿐이다.
3. 형식 전하의 의미와 활용
형식 전하는 유기화학에서 루이스-케쿨레 구조를 그릴 때 필수적으로 표시해야 하는 값이다. 0이 아닌 형식 전하를 생략하면 구조가 불완전한 것으로 간주된다. 형식 전하는 전하를 띠는 원자 근처에 표시하며, 명확하게 하기 위해 원 안에 넣기도 한다.[3]
반면, 무기 화학에서는 이러한 관례를 따르지 않는 경우가 많다. 유기금속 화학이나 배위 화학 분야에서는 강조가 필요하거나 특정 부분을 명확히 할 때를 제외하고는 형식 전하를 생략하는 경향이 있다.[3] 대신, 공유 결합된 원자 옆에 오른쪽 위 첨자로 ⌝ 표시를 하고, 그 뒤에 ''전체'' 전하를 표시한다. 때로는 ⌝ 대신 대괄호를 사용하고, 대괄호 바로 바깥쪽 오른쪽 위에 전체 전하를 표시하기도 한다.
이러한 차이는 주족 원소만 포함하는 화합물에서는 결합 차수, 원자가 전자 수, 형식 전하를 비교적 쉽게 결정할 수 있기 때문에 발생한다. 그러나 올리고머와 같은 유기리튬 시약 및 에놀레이트는 지나치게 단순화되어 표현되는 경향이 있다. 반면, 전이 금속은 원자가 전자 수가 불분명하여 형식 전하를 할당하는 명확한 방법이 없다.
3. 1. 안정성 예측
형식 전하가 0에 가까울수록 그 결합은 안정하다.3. 2. 공명 구조 평가
형식 전하가 0에 가까울수록 그 결합은 안정하다는 것을 뜻한다.- 예시: CO2는 총 16개의 원자가 전자를 가진 중성 분자이다. 루이스 구조를 그리는 방법은 여러 가지가 있다.
- * 탄소가 두 산소 원자와 단일 결합 (탄소 = +2, 산소 = 각 -1, 총 형식 전하 = 0)[1]
- * 탄소가 한 산소와 단일 결합하고 다른 산소와 이중 결합 (탄소 = +1, 산소이중 = 0, 산소단일 = -1, 총 형식 전하 = 0)[1]
- * 탄소가 두 산소 원자와 이중 결합 (탄소 = 0, 산소 = 0, 총 형식 전하 = 0)[1]
세 가지 구조 모두 총 전하가 0을 나타내지만, 최종 구조가 분자에 전하가 전혀 없기 때문에 더 우수한 구조이다.[1]
3. 3. 반응성 예측
형식 전하가 0에 가까울수록 그 결합은 안정하다는 것을 뜻한다.4. 형식 전하와 산화수
형식 전하는 분자 내의 전하 분포를 추정하기 위한 도구이며,[1][2] 산화수는 분자 내의 전자 분포를 평가하는 또 다른 방법이다. 이산화 탄소에 있는 원자들의 형식 전하와 산화수를 비교하면 다음과 같다.
이 값들의 차이는 형식 전하와 산화수가 분자 내 원자 간의 전자 분포를 바라보는 방식이 근본적으로 다르기 때문이다. 형식 전하에서는 각 공유 결합 내의 전자가 결합 내 두 원자 사이에 정확히 균등하게 분할된다고 가정한다. CO2 분자에 대한 형식 전하 관점은 아래와 같다.
실제로는 산소 원자의 전기음성도가 더 높기 때문에 탄소 원자보다 산소 원자 주위에 더 높은 전자 밀도가 존재한다.
산화수 형식주의에서는 결합 내의 전자가 더 큰 전기음성도를 가진 원자에 "주어진다". CO2 분자에 대한 산화수 관점은 아래와 같다.
산화수는 결합의 이온성을 과장한다. 탄소와 산소 간의 전기음성도 차이는 결합을 이온성으로 간주하기에 충분하지 않다.
실제로 분자 내 전자 분포는 이 두 극단 사이 어딘가에 위치한다. 분자에 대한 단순한 루이스 구조의 한계는 슬레이터, 폴링 등이 개발한 더 일반적으로 적용 가능하고 정확한 원자가 결합 이론과, 그 이후 멀리켄과 훈트가 개발한 분자 궤도 함수 이론의 개발로 이어졌다.
4. 1. 형식 전하
형식 전하는 분자 내의 전하 분포를 추정하기 위한 도구이다.[1][2] 산화수는 분자 내의 전자 분포를 평가하는 또 다른 방법이다. 이산화 탄소에 있는 원자들의 형식 전하와 산화수를 비교하면 다음과 같다.이 값들의 차이는 형식 전하와 산화수가 분자 내 원자 간의 전자 분포를 바라보는 방식이 근본적으로 다르기 때문이다. 형식 전하에서는 각 공유 결합 내의 전자가 결합 내 두 원자 사이에 정확히 균등하게 분할된다고 가정한다(따라서 위에서 설명한 방법에서 2로 나눈다). CO2 분자에 대한 형식 전하 관점은 아래와 같다.
그러나 실제로는 탄소 원자에 비해 산소 원자 주위에 더 높은 전자 밀도가 존재하는데, 이는 산소 원자의 더 높은 전기음성도 때문이다. 이는 정전기적 전위 지도에서 가장 효과적으로 시각화할 수 있다.
산화수 형식주의에서는 결합 내의 전자가 더 큰 전기음성도를 가진 원자에 "주어진다". CO2 분자에 대한 산화수 관점은 아래와 같다.
산화수는 결합의 이온성을 과장한다. 탄소와 산소 간의 전기음성도 차이는 결합을 이온성으로 간주하기에 충분하지 않다.
실제로 분자 내 전자 분포는 이 두 극단 사이 어딘가에 있다. 분자에 대한 단순한 루이스 구조의 한계는 슬레이터, 폴링 등이 개발한 더 일반적으로 적용 가능하고 정확한 원자가 결합 이론과, 그 이후 멀리켄과 훈트가 개발한 분자 궤도 함수 이론의 개발로 이어졌다.
4. 2. 산화수
산화수는 분자 내의 전자 분포를 평가하는 방법 중 하나이다.[1][2] 이산화 탄소에 있는 원자들의 형식 전하와 산화수를 비교하면 다음과 같다.이 값들의 차이는 형식 전하와 산화수가 분자 내 원자 간의 전자 분포를 바라보는 방식이 다르기 때문이다. 형식 전하에서는 각 공유 결합 내의 전자가 결합 내 두 원자 사이에 균등하게 분할된다고 가정한다. CO2 분자에 대한 형식 전하의 관점은 아래와 같다.
그러나 실제로는 산소 원자의 전기음성도가 더 높기 때문에 탄소 원자보다 산소 원자 주위에 더 높은 전자 밀도가 존재한다.
산화수 형식주의에서는 결합 내의 전자가 더 큰 전기음성도를 가진 원자에 "수여"된다. CO2 분자에 대한 산화수의 관점은 아래와 같다.
산화수는 결합의 이온성을 과장하는 경향이 있다. 탄소와 산소 간의 전기음성도 차이는 결합을 이온성으로 간주하기에는 충분하지 않다.
실제 분자 내 전자 분포는 이 두 극단 사이 어딘가에 위치한다. 분자에 대한 단순한 루이스 구조의 관점의 부적절함은 슬레이터, 폴링 등이 개발한 더 일반적으로 적용 가능하고 정확한 원자가 결합 이론과, 그 이후 멀리켄과 훈트가 개발한 분자 궤도 함수 이론의 개발로 이어졌다.
4. 3. 비교
형식 전하는 분자 내의 전하 분포를 추정하기 위한 도구이다.[1][2] 산화수는 분자 내의 전자 분포를 평가하는 또 다른 방법이다. 이산화 탄소에 있는 원자들의 형식 전하와 산화수를 비교하면 다음과 같다.이 값들이 다른 이유는 형식 전하와 산화수가 분자 내 원자 간의 전자 분포를 바라보는 방식이 다르기 때문이다. 형식 전하에서는 각 공유 결합 내의 전자가 결합 내 두 원자 사이에 정확히 균등하게 분할된다고 가정한다. CO2 분자에 대한 형식 전하의 관점은 아래와 같다.
그러나 실제로는 탄소 원자에 비해 산소 원자 주위에 더 높은 전자 밀도가 존재하는데, 이는 산소 원자의 더 높은 전기음성도 때문이다.
반면, 산화수에서는 결합 내의 전자가 더 큰 전기음성도를 가진 원자에 "주어진다"고 가정한다. CO2 분자에 대한 산화수의 관점은 아래와 같다.
산화수는 결합의 이온성을 과장하는 경향이 있다. 탄소와 산소 간의 전기음성도 차이는 결합을 이온성으로 간주하기에는 충분하지 않다.
실제 분자 내 전자 분포는 이 두 극단 사이 어딘가에 위치한다. 분자에 대한 단순한 루이스 구조의 한계는 슬레이터, 폴링 등이 개발한 더 일반적인 원자가 결합 이론과, 그 이후 멀리켄과 훈트가 개발한 분자 궤도 함수 이론의 개발로 이어졌다.
5. 예시: 이산화 탄소 (CO₂)
CO₂는 총 16개의 원자가 전자를 가진 중성 분자이다. 루이스 구조를 그리는 방법은 여러 가지가 있다.
- 탄소가 두 산소 원자와 단일 결합 (탄소 = +2, 산소 = 각 -1, 총 형식 전하 = 0)
- 탄소가 한 산소와 단일 결합하고 다른 산소와 이중 결합 (탄소 = +1, 산소이중 = 0, 산소단일 = -1, 총 형식 전하 = 0)
- 탄소가 두 산소 원자와 이중 결합 (탄소 = 0, 산소 = 0, 총 형식 전하 = 0)
세 가지 구조 모두 총 전하가 0을 나타내지만, 최종 구조가 분자에 전하가 전혀 없기 때문에 더 우수한 구조이다.
6. 유기화학과 무기화학에서의 형식 전하 표기
유기화학과 무기화학에서 형식 전하를 표기하는 방식은 서로 다르다. 유기화학에서는 형식 전하를 반드시 표시해야 하지만, 무기화학에서는 생략하는 경우가 많다.[3]
이러한 차이는 주족 원소와 전이 금속 화합물의 특성 차이에서 비롯된다. 주족 원소 화합물은 결합 차수, 원자가 전자 수, 형식 전하를 비교적 쉽게 결정할 수 있지만, 전이 금속 화합물은 원자가 전자 수가 불분명하여 형식 전하를 명확하게 할당하기 어렵다. 다만, 올리고머와 같은 유기리튬 시약 및 에놀레이트는 실제보다 단순화되어 표현되는 경향이 있다는 점은 유의해야 한다.
6. 1. 유기화학
유기화학 관례에서, 형식 전하는 올바르게 렌더링된 루이스-케쿨레 구조의 필수적인 특징이며, 0이 아닌 형식 전하를 생략한 구조는 부정확하거나 적어도 불완전한 것으로 간주된다.[3] 형식 전하는 전하를 띠는 원자에 근접하게 그려진다. 명확성을 위해 원 안에 넣을 수도 있고 넣지 않을 수도 있다.반면, 이 관례는 무기 화학에서는 따르지 않는다.[3] 유기금속 화학 분야의 많은 연구자와 배위 화학 분야의 대다수의 연구자는 강조가 필요하거나 특정 요점을 지적해야 하는 경우를 제외하고는 형식 전하를 생략한다.[3] 대신, 공유 결합된, 전하를 띤 개체 다음에 오른쪽 상단 모서리 ⌝를 그리고, 그 직후에 ''전체'' 전하를 표시한다.
오른쪽 상단 모서리 ⌝는 전체 전하 종을 묶는 대괄호로 대체되기도 하며, 대괄호 바로 바깥쪽, 오른쪽 상단에 전체 전하가 표시된다.
이러한 실질적인 차이는 주족 원소만 포함하는 화합물에 대한 결합 차수, 원자가 전자 수, 그리고 형식 전하의 비교적 간단한 할당에서 비롯된다 (하지만 올리고머와 같은 유기리튬 시약 및 에놀레이트는 지나치게 단순화되고 이상화된 방식으로 묘사되는 경향이 있다).[3] 하지만 전이 금속은 원자가 전자 수가 불분명하므로 형식 전하를 할당하는 명확한 방법이 없다.
6. 2. 무기화학
무기 화학에서는 유기화학에서처럼 형식 전하를 표시하지 않는 경향이 있다. 유기금속 화학이나 배위 화학 분야의 연구자들은 강조가 필요하거나 특정 요점을 설명해야 하는 경우를 제외하고는 형식 전하를 생략한다.[3] 대신, 공유 결합된, 전하를 띤 개체 다음에 오른쪽 상단 모서리 ⌝를 그리고, 그 직후에 ''전체'' 전하를 표시한다.오른쪽 상단 모서리 ⌝는 전체 전하 종을 묶는 대괄호로 대체되기도 하며, 대괄호 바로 바깥쪽, 오른쪽 상단에 전체 전하가 표시된다.
이러한 차이는 주족 원소만 포함하는 화합물에 대한 결합 차수, 원자가 전자 수, 그리고 형식 전하의 비교적 간단한 할당에서 비롯된다. 하지만 올리고머와 같은 유기리튬 시약 및 에놀레이트는 지나치게 단순화되고 이상화된 방식으로 묘사되는 경향이 있다. 전이 금속은 원자가 전자 수가 불분명하므로 형식 전하를 할당하는 명확한 방법이 없다.
참조
[1]
웹사이트
Formal Charges
http://www.chem.ucla[...]
2016-03-11
[2]
웹사이트
Formal Charge
https://edu.rsc.org/[...]
Royal Society of Chemistry
2021-12-10
[3]
서적
Organic chemistry
Oxford University Press
2001
[4]
서적
고등학교 고급화학
서울특별시교육청
2013-12-01
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com