예제 86번에서 중심원자의 일반적인 결합 개수를 사용하는 이유 (chemistry, general chemistry, Lewis structure, formal charge, chemical bonding, nitrogen bonding, molecular structure, chemistry example, chemical formula, atomic bonds)

질문 요약

20분 21초에 예제 86번 풀이의 기준이 궁금합니다. 풀 때 중심원자의 일반적인 결합 개수(N은 3개, O는 2개)를 기준으로 하시는 것 같은데, 이전에는 중심원자의 일반적인 결합 개수를 기준으로 하지 않았습니다. 예를 들어, N3(-)의 경우 중심원자 N이 삼중결합과 단일결합 혹은 양쪽 다 이중결합을 해서 그리는 등 형식 전하를 사용하는 경우도 있었으니까요. 그런데 예제 86번에서 중심원자의 일반적인 결합 개수를 기준으로 푸는 이유는 무엇인가요?

답변 요약

일반적인 결합수로 설명이 가능할 때는 형식전하를 발생시킬 필요가 없습니다. 예를 들어, 암모니아는 수소 3개와 결합할 때 질소에 형식전하가 발생하지 않습니다. 하지만 질소가 수소 4개와 결합하면 질소의 원래 결합수를 초과하게 되어 형식전하가 발생합니다. 다시 말해, 형식전하 없이도 루이스 구조식으로 나타낼 수 있다면 그것이 정답입니다. 하지만 원소의 자연스러운 결합수에 어긋나는 경우에는 형식전하가 발생합니다.

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예제 86번에서 중심원자의 일반적인 결합 개수를 사용하는 이유

화학 반응과 분자 구조를 이해할 때, 루이스 구조는 매우 중요한 역할을 합니다. 루이스 구조를 그릴 때, 중심원자의 결합 개수를 고려하는 것이 중요한데, 이는 특정 원소들이 주로 형성하는 결합 수를 기반으로 합니다. 이번 포스트에서는 예제 86번을 통해 중심원자의 일반적인 결합 개수를 사용하는 이유를 설명하고자 합니다.

루이스 구조를 그릴 때, 중심원자의 일반적인 결합 개수를 기준으로 하는 이유는 형식전하(formal charge)를 최소화하기 위함입니다. 형식전하는 분자의 안정성을 평가하는 데 중요한 기준이 되며, 가능한 한 형식전하가 0에 가깝게 만드는 것이 바람직합니다. 형식전하가 최소화되면 분자가 더 안정적이라는 의미입니다.

예제 86번 풀이

예제 86번에서는 중심원자의 일반적인 결합 개수를 이용해 루이스 구조를 그립니다. 예를 들어, 질소(N)의 경우 일반적으로 3개의 결합을 형성하며, 산소(O)는 2개의 결합을 형성합니다. 이를 기준으로 루이스 구조를 그리면 형식전하를 최소화할 수 있습니다. 아래는 예제 86번의 자세한 풀이 과정입니다.

1. 중심원자를 선택합니다. 대부분의 경우, 전기음성도가 낮은 원소가 중심원자가 됩니다.
2. 중심원자의 일반적인 결합 개수를 고려하여 주변 원자들과의 결합을 설정합니다.
3. 나머지 전자들을 배치하여 모든 원자가 옥텟 규칙을 만족하도록 합니다. (수소는 2개)
4. 형식전하를 계산하여 분자가 가장 안정적인 구조를 찾습니다.

질소(N)와 산소(O)의 결합 예시

질소(N)는 일반적으로 3개의 결합을 형성합니다.

이 경우, 질소는 3개의 수소와 결합하여 형식전하가 0이 됩니다. 이는 질소의 일반적인 결합 개수를 따랐기 때문에 형식전하가 발생하지 않습니다.

반면에, 질소가 4개의 수소와 결합하는 암모늄 이온(NH₄⁺)을 생각해보면:

여기서는 질소가 네 개의 결합을 형성하여 (+1)의 형식전하를 가지게 됩니다. 이는 질소의 일반적인 결합 개수를 초과했기 때문입니다.

산소(O)의 경우도 마찬가지입니다. 산소는 일반적으로 2개의 결합을 형성합니다.

이 경우, 산소는 2개의 수소와 결합하여 형식전하가 0이 됩니다.

형식전하와 결합 개수의 관계

형식전하를 계산하는 방법은 다음과 같습니다:

\[ \text{형식전하} = \text{원자가 전자 수} - \left( \text{비공유 전자 수} + \frac{\text{결합 전자 수}}{2} \right) \]

예를 들어, 질소(N)의 경우 원자가 전자 수는 5입니다. 암모니아(NH₃)에서 질소의 형식전하는 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

\[ \text{형식전하} = 5 - \left( 2 + \frac{6}{2} \right) = 5 - 5 = 0 \]

이처럼 중심원자의 일반적인 결합 개수를 따르면 형식전하를 최소화할 수 있으며, 이는 더 안정적인 분자 구조를 의미합니다.

결론

예제 86번에서 중심원자의 일반적인 결합 개수를 사용하는 이유는 형식전하를 최소화하여 분자의 안정성을 높이기 위함입니다. 질소(N)는 3개의 결합을, 산소(O)는 2개의 결합을 형성함으로써 형식전하 없이 안정적인 구조를 형성할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 더욱 정확하고 안정적인 루이스 구조를 그릴 수 있습니다.

이러한 원칙을 이해하고 적용하면 다양한 화학 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 것입니다. 루이스 구조 그리기와 형식전하 계산이 익숙해지면, 분자의 구조와 성질을 더욱 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

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