화학에서 말하는 원자가(Valence)의 정의

 

 

원자가(Valence)란 무엇인가?

 

원자가(Valence)는 일반적으로 원자의 최외곽 껍질을 채우는데 필요한 전자의 숫자를 의미합니다. 다만 이러한 정의에도 항상 예외가 존재하기 때문에 보통은 '주어진 원자가 결합하는 전자의 수', 또는 '주어진 원자가 형성하는 결합의 수'를 칭하는 경우가 많습니다. IUPAC에서는 원자가를 '원자와 결합이 가능한 1가 원자(univalent atom)의 최대수'로 정의합니다. 여기서 1가 원자는 주로 수소 원자(또는 염소 원자)를 의미하기 때문에 '어떤 원자가 몇 개의 수소 원자와 결합이 가능한지'를 생각하면 원자가를 쉽게 이해할 수 있습니다.

 

탄소 원자를 예로 들면, 탄소 원자는 1s2 2s2 2p2의 구성으로 총 6개의 전자가 배치되어 있으며, 특히 4개의 전자가 2p 오비탈에 추가로 채워질 수 있기 때문에 탄소의 원자가는 4입니다.

 

IUPAC의 정의에 따르면 원자가를 최대값으로 정의를 내려 단일 원자가만 가능하지만 실제로는 둘 이상의 원자가를 가지는 원소들이 많습니다. 예를 들면, 철은 2 또는 3의 원자가를, 구리는 1 또는 2의 원자가를 가지고 있습니다.

 

주기율표로 이해하는 원자가의 경향

 

주기율표의 주요 원소들은 1에서 7사이의 원자가를 가질 수 있습니다.

 

1족 : 1가 (NaCl에서 Cl의 수)

2족 : 2가 (MgCl2에서 Cl의 수)

3족 : 3가 (AlCl3에서 Cl의 수)

4족 : 4가 (CH4에서 H의 수)

5족 : 3가 또는 5가 (NH3에서 H의 수, 또는 PCl5에서 Cl의 수)

6족 : 2가 또는 6가 (H2O에서 H의 수)

7족 : 1가 또는 7가 (HCl에서 H의 수)

 

원자가와 산화상태의 비교

 

사실 원자가의 정의를 통해 물질의 상태를 설명하기에는 문제점이 존재합니다. 그 정의가 모호하여 예외가 많으며 특히 원자가는 부호가 없는 정수로 표현되기 때문에 원자가 전자를 얻는지, 잃는지에 대한 판단이 불가능합니다. 수소와 염소는 같은 원자가를 가지지만 수소는 주로 전자를 잃어 양이온이 되는 반면 염소는 전자를 얻어 음이온이 되는 경향이 있습니다.

 

산화상태는 '원자에 대한 모든 결합이 완전히 이온성이라면 원자가 가지게 되는 가상의 전하'로 정의되며 화합물에서 원자의 산화정도를 나타내는 개념입니다. 이 산화상태는 원자가와 비슷하게 정수로 표현되지만 부호가 있으며 경우에 따라서는 정수가 아닌 분수로도 표시될 수 있습니다.

 

주요 원소의 일반적인 산화상태

 

수소의 산화상태 : +1

산소의 산화상태 : -2

염소의 산화상태 : -1

Fe3O4에서 철의 산화상태 : 8/3

 

어쨋든, 산화상태는 크기 뿐 아니라 부호를 포함하기 때문에 원자의 전자상태를 분명하게 설명할 수 있습니다. 또한, 산화수의 변화를 이해하면 특정 원자는 조건에 따라 서로 다른 산화상태로 존재할 수 있음을 이해할 수 있습니다.

 

참고

 

1) www.thoughtco.com/definition-of-valence-in-chemistry-604680

2) chemistrypage.in/valency-of-elements/