질문 요약
41분 12초부터 질문이 있습니다. S와 오른쪽 O(산소) 둘이 옥텟 규칙을 만족하지 못하여 S의 홀전자를 결합에 넣고, 결합에 있던 기존의 전자 1개를 O에 넘겨서 41분 12초 그림이 나왔는데요. 이 때 S의 형식전하가 +1이 나온 이유를 잘 이해 못하겠습니다. S와 오른쪽 O 결합을 이루는 두 전자가 모두 S에 있던 원자가 전자인데, 그러면 S의 형식전하는 원자가전자인 6개에서 비공유전자 2개를 빼고 화학결합에 있는 S의 전자 4개를 빼서 0이여야 하는 거 아닌가요? PS: 화학결합에 있는 S의 전자가 4개라고 한 이유는 왼쪽 O와의 이중결합에 있는 전자 2개와, 오른쪽 O의 단일결합이지만 단일결합의 2개 전자가 모두 S의 원자가 전자이기 때문입니다. 그래서 오른쪽 O의 형식전하 역시 6개에서 비공유전자 6개를 빼서 (O의 단일결합에 있는 전자는 S의 원자가 전자이므로 빼지 않음) 0이여야 한다고 생각이 들어서요.
답변 요약
황(S)의 원자가 전자는 6개입니다. 하지만 이산화황(SO2)에서 S의 원자가 전자가 5개가 되었습니다. 따라서 6에서 5를 빼면 1이 되어, S의 형식전하는 +1이 됩니다. 화학 결합에 있는 S의 전자가 4개라는 조건은 맞습니다. 하지만 화학 결합을 형성한 이후에는 서로 반반씩 전자를 공유했다고 가정하여 계산합니다. 따라서 형식전하는 원래 원자가 전자수와 화학 결합 이후의 전자 수를 비교해서 구합니다.
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형식전하 계산: 이산화황(SO2)에서 S와 O의 전하 문제
이산화황(SO2) 분자는 화학 및 물리학에서 자주 등장하는 분자입니다. 이 분자의 구조와 이에 따른 형식전하(formal charge)를 계산하는 것은 화학을 공부하는 학생들에게 중요한 문제 중 하나입니다. 이 글에서는 이산화황 분자에서 황(S)과 산소(O)의 형식전하를 계산하는 방법을 자세히 설명하겠습니다.
형식전하란 무엇인가?
형식전하(Formal charge)는 분자 내 각 원자의 전하 분포를 추정하는데 사용되는 개념입니다. 이는 실제 전하와는 다를 수 있지만, 분자의 안정성과 반응성을 예측하는데 유용합니다. 형식전하는 다음과 같은 식으로 계산됩니다:
\[ FC = V - (L + \frac{B}{2}) \]
여기서 FC는 형식전하, V는 원자의 원자가 전자 수, L은 비공유 전자 쌍의 수, B는 공유된 전자 수입니다.
이산화황(SO2)의 구조
SO2 분자는 S 원자와 두 개의 O 원자로 구성되어 있으며, S는 중심 원자로 작용합니다. 이 분자의 구조를 그릴 때, S는 두 개의 O와 각각 이중 결합을 형성합니다. 하지만 형식전하 계산을 위해서는 조금 더 복잡한 구조를 고려해야 합니다. 예를 들어, 한쪽 O는 S와 이중 결합을 형성하고, 다른 쪽 O는 단일 결합을 형성하면서 비공유 전자쌍을 갖습니다.
이제, SO2의 구조를 다음과 같이 가정해 봅시다:
- 왼쪽 O는 S와 이중 결합을 형성
- 오른쪽 O는 S와 단일 결합을 형성하며, 비공유 전자쌍을 가짐
S와 O의 형식전하 계산
황(S)의 형식전하
황(S)의 원자가 전자는 6개입니다. S가 왼쪽 O와 이중 결합, 오른쪽 O와 단일 결합을 형성할 때, 다음과 같은 전자 배치를 가정할 수 있습니다:
- 비공유 전자쌍: 2개 (1쌍)
- 공유 전자: 왼쪽 O와 2개, 오른쪽 O와 2개, 총 4개
따라서, 형식전하는 다음과 같이 계산됩니다:
\[ FC(S) = 6 - (2 + \frac{4}{2}) = 6 - (2 + 2) = 6 - 4 = 2 \]
이 계산에서 S의 형식전하가 +2가 나왔지만, 이는 틀린 계산입니다. 위의 설명에서는 공유 전자 쌍을 잘못 계산했기 때문입니다. 실제로는 각 결합에서 전자를 반반씩 나누어 계산해야 하므로, 다시 계산해 봅시다:
\[ FC(S) = 6 - (2 + \frac{4}{2}) = 6 - (2 + 2) = 6 - 4 = 2 \]
하지만 이 경우, 실제로 공유 전자를 반으로 나누어야 하기 때문에:
\[ FC(S) = 6 - 2 - 2 = 2 \]
따라서 황(S)의 형식전하는 +2가 맞습니다.
산소(O)의 형식전하
왼쪽 O의 형식전하를 계산해 봅시다. 왼쪽 O는 S와 이중 결합을 형성하고 있습니다:
- 비공유 전자쌍: 4개 (2쌍)
- 공유 전자: S와 2개
따라서, 형식전하는 다음과 같이 계산됩니다:
\[ FC(O) = 6 - (4 + \frac{4}{2}) = 6 - (4 + 2) = 6 - 6 = 0 \]
오른쪽 O의 형식전하를 계산해 봅시다. 오른쪽 O는 S와 단일 결합을 형성하고 있습니다:
- 비공유 전자쌍: 6개 (3쌍)
- 공유 전자: S와 2개
따라서, 형식전하는 다음과 같이 계산됩니다:
\[ FC(O) = 6 - (6 + \frac{2}{2}) = 6 - (6 + 1) = 6 - 7 = -1 \]
오른쪽 O의 형식전하는 -1입니다.
결론
결과적으로, SO2 분자에서 황(S)와 산소(O)의 형식전하는 각각 +2와 0, -1입니다. 이산화황의 형식전하는 분자의 전자 구조를 이해하는데 중요한 역할을 합니다. 화학 결합을 형성할 때, 각 원자의 전자 분포를 정확히 이해하고 계산하는 것이 중요합니다. 이 글을 통해 형식전하 계산의 기법을 잘 이해하셨기를 바랍니다.
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