루이스 구조와 형식 전하

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루이스 구조와 형식 전하를 나타내는 질소 삼중 결합 아이콘

공유 전자쌍과 비공유 전자쌍, 단일 결합과 다중 결합으로 나타내는 루이스 구조 및 자유 원자의 원자가 전자 수로 계산하는 형식 전하를 설명합니다.
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결합 길이를 나타내는 에너지 곡선 아이콘 공명 구조를 나타내는 육각형 아이콘과 O=O=O 표기 다양한 산과 염기를 상징하는 분자 모형과 화살표 아이콘 산화·환원 반응을 나타내는 철과 산소의 반응식 아이콘 생성 엔탈피를 나타내는 에너지 프로필 아이콘 생명체의 구성 물질을 나타내는 분자 아이콘과 제목

공유 전자쌍과 비공유 전자쌍

공유 전자쌍은 원자가 전자 중 공유 결합한 전자쌍이고,
비공유 전자쌍은 원자가 전자 중 공유 결합하지 않은 전자쌍이다.

공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 예시

그림은 O2\mathrm{O_{2}}를 화학 결합 모형으로 나타낸 것이다. O2\mathrm{O_{2}}의 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 수를 구해보자.

산소 분자 O₂의 루이스 전자점 구조

O2\mathrm{O_{2}}의 원자가 전자 중 22쌍은 22중 결합을 이루고 있으므로 공유 전자쌍은 22개이고,
원자가 전자 중 44쌍(전자 88개)은 공유 결합을 하지 않으므로 비공유 전자쌍은 44개이다.

O₂ 산소 분자의 이중 결합 루이스 구조

루이스 구조

화학 결합 구조를 원소 기호, 점, 직선 등으로 나타낸 것이다.

원자가 전자 중 비공유 전자 11개당 점 11개씩 원소 기호의 상하좌우에 나타낸다.

단일 결합은 11개의 직선으로,
22중 결합은 22개의 직선으로,
33중 결합은 33개의 직선으로 나타낸다.

루이스 구조 예시

그림은 O2\mathrm{O_{2}}를 화학 결합 모형으로 나타낸 것이다. O2\mathrm{O_{2}}의 루이스 구조식을 그려보자.

산소 분자 O₂의 루이스 전자점 구조

22개의 O\mathrm{O} 원자가 22중 결합을 하고 있으므로 O\mathrm{O} 22개 사이에 22개의 직선을 그린다.
O\mathrm{O} 원자는 각각 44개의 비공유 전자를 가지므로 원소 기호의 상하좌우에 점 44개를 나타낸다.

따라서 O2\mathrm{O_{2}}의 루이스 구조식은 아래 그림과 같다.

산소 분자 O₂의 루이스 전자점 구조

루이스 전자점식

루이스 구조에서 공유 결합을 직선이 아닌 점(전자)으로 나타낸 것이다.

단일 결합은 결합하고 있는 두 원자 사이 22개의 점으로,
22중 결합은 결합하고 있는 두 원자 사이 44개의 점으로,
33중 결합은 결합하고 있는 두 원자 사이 66개의 점으로 나타낸다.

루이스 전자점식 예시

O2\mathrm{O_{2}}를 루이스 전자점식으로 나타내면 아래 그림과 같다.

두 산소 원자와 전자점으로 나타낸 루이스 구조

자유 원자

다른 원자와 결합하지 않은 중성 상태의 원자이다.

형식 전하

형식 전하 =(= (자유 원자의 원자가 전자 수)−() - (공유 전자쌍 수)−() - (비공유 전자 수))로,
공유 전자를 균등하게 나누어 갖는다고 가정할 때, 전자를 얼마나 갖고 있는지를 나타내는 물리량이다.
단위는 없다.

화합물을 이루는 원자의 형식 전하가 00에 가까울수록 전자가 고르게 퍼져 있어 더 안정하다.

형식 전하 예시

그림은 CO\mathrm{CO}의 루이스 구조식을 나타낸 것이다. CO\mathrm{CO}에서 각 원자의 형식 전하를 구해보자.


탄소와 산소의 삼중 결합 루이스 구조

루이스 구조를 통해 화학 결합 구조 나타내기

1.1. 화합물을 구성하는 원소들이 자유 원자일 때의 원자가 전자 수(㉠)를 구한다.

2.2. 화합물을 구성하는 개별 원자들의 ㉠의 합을 구한다. 화합물이 이온인 경우 ㉠의 합에 얻거나 잃은 전자를 반영해준다.
예를 들어, CO32−\mathrm{CO_{3}}^{2-}의 경우 전자 22개를 추가로 얻어 전하가 −2-2이므로 ㉠의 합에 22를 더한다.

3.3. 전기 음성도가 상대적으로 낮은 원자를 중심 원자로 정하고 중심 원자와 나머지 원자 사이에 단일 결합을 그린다.

4.4. 남은 전자를 구한 후 바깥쪽 원자에 넣는다.

5.5. 바깥쪽 원자에 넣고도 남은 전자는 중심 원자에 넣고 중심 원자가 옥텟 규칙을 만족하지 않는 경우 다중 결합을 만든다.

6.6. 55에서 가능한 경우가 여러 개이면 각 원자의 형식 전하를 계산하여 형식 전하가 00에 가장 가까운 경우(가장 안정한 구조)를 찾는다.

루이스 구조를 통해 화학 결합 구조 나타내기 예시

CO2\mathrm{CO_{2}}의 루이스 구조식을 그려보자.


1.1. 화합물을 구성하는 원소들이 자유 원자일 때의 원자가 전자 수(㉠)를 구한다.

CO2\mathrm{CO_{2}}는 C\mathrm{C}와 O\mathrm{O}로 이루어진다.
C\mathrm{C}가 자유 원자일 때의 원자가 전자 수: 44
O\mathrm{O}가 자유 원자일 때의 원자가 전자 수: 66

2.2. 화합물을 구성하는 개별 원자들의 ㉠의 합을 구한다. 화합물이 이온인 경우 ㉠의 합에 얻거나 잃은 전자를 반영해준다.

CO2\mathrm{CO_{2}}는 11개의 C\mathrm{C}, 22개의 O\mathrm{O}로 이루어지므로
화합물을 구성하는 개별 원자들의 ㉠의 합은 4×1+6×2=164 \times 1 + 6 \times 2 = 16이다.
CO2\mathrm{CO_{2}}는 중성이므로 추가로 반영할 전자는 없다.

3.3. 전기 음성도가 상대적으로 낮은 원자를 중심 원자로 정하고 중심 원자와 나머지 원자 사이에 단일 결합을 그린다.

같은 주기에서 원자 번호가 증가할 때 전기 음성도가 증가하므로 전기 음성도는 C\mathrm{C}가 O\mathrm{O}보다 작다.
따라서 아래 그림과 같이 중심 원자를 C\mathrm{C}로 정하고, C\mathrm{C}와 나머지 원자 O\mathrm{O} 사이에 단일 결합을 그린다.

O–C–O로 표시된 선형 분자 구조

4.4. 남은 전자를 구한 후 바깥쪽 원자에 넣는다.

총 1616개의 전자에서 44개의 전자(22개의 단일 결합)가 공유 결합으로 사용되었으므로 남은 전자는 16−4=1216 - 4 = 12개이다.

남은 전자 1212개를 바깥쪽 O\mathrm{O} 원자에 각각 66개씩 넣으면 아래 그림과 같다.

산소-탄소-산소가 단일 결합으로 연결된 루이스 구조

5.5. 바깥쪽 원자에 넣고도 남은 전자는 중심 원자에 넣고 중심 원자가 옥텟 규칙을 만족하지 않는 경우 다중 결합을 만든다.

남은 전자는 없지만, 중심 원자(C)(\mathrm{C})가 옥텟 규칙을 만족하지 않으므로
바깥쪽 원자(O)(\mathrm{O})의 비공유 전자쌍 22쌍을 공유 전자쌍으로 바꾸어 다중 결합을 만들면,
아래 그림과 같이 총 33가지의 경우를 만들 수 있다.

CO₂의 세 가지 루이스 구조 X, Y, Z

6.6. 55에서 가능한 경우가 여러 개이면 각 원자의 형식 전하를 계산하여 형식 전하가 00에 가장 가까운 경우(가장 안정한 구조)를 찾는다.

X\mathrm{X}, Y\mathrm{Y}, Z\mathrm{Z} 중 Y\mathrm{Y}를 구성하는 원자의 형식 전하가 00에 가장 가까우므로 CO2\mathrm{CO_{2}}의 루이스 구조식은 아래 그림과 같다.

이산화 탄소의 루이스 구조에서 산소와 탄소 사이의 이중 결합

적용 문항

1번 문항


HCN 루이스 구조와 결합·부분 전하·전자쌍 수를 묻는 화학 문항

2번 문항


SO₂ 루이스 구조와 황의 형식 전하를 묻는 객관식 문항