옥텟규칙의 예외

옥텟규칙의 예외

 

옥텟규칙에 따르면 원자는 최외각 전자껍질에 8개의 전자를 가지고 싶어하는, 즉 8개의 원자가 전자를 가지는 방식으로 결합을 이룹니다. 이를 위해 각 원자는 전자를 서로 공유하거나 또는 잃거나 얻어 8개의 전자를 채우게 됩니다. 이 규칙을 이용하면 공유결합성 분자의 구조를 예측할 수 있고 실제로 다양한 원소에 대해 이 규칙이 잘 적용됩니다. 하지만 옥텟규칙은 모든 원소에 대해 성립하지 않으며 자세히 살펴보면 오히려 옥텟규칙을 만족시키지 못하는 물질들도 많이 존재합니다.

 

옥텟 규칙이란 무엇인가?

 

일반적으로는 아래와 같은 3가지 조건을 가지는 물질들은 옥텟규칙을 지키지 못한다고 알려져 있습니다.

 

1. 8개 미만의 전자를 가지는 분자 (예 : 염화붕소 또는 s- 및 p- block 원소)

2. 8개 이상의 전자를 가지는 분자 (예 : 육불화황 또는 3주기 이상의 원소)

3. 홀수개의 전자를 가지는 분자

 

참고로 루이스 전자점식을 이용하면 결합을 이룬 물질들의 원자가 전자의 공유 여부를 알 수 있고 이를 통해 옥텟규칙이 성립되는지를 확인할 수 있습니다.

 

예외 1. 전자 결핍 분자

 

수소(H), 베릴륨(Be), 붕소(B)는 8개의 원자가 전자를 가지기에는 원래 가지고 있는 전자의 수가가 너무 적습니다. 수소의 경우 1개의 원자가 전자만 가지고 있으며 다른 원자와 결합을 형성하기 위해서는 1개의 전자만 받을 수 있습니다. 베릴륨의 경우에도 원자가 전자가 단 2개만 존재하며 두 군데에서만 전자쌍 결합을 형성할 수 있습니다. 붕소 또한 3개의 원자가 전자만을 가지고 있습니다. 아래의 그림을 보시면 모두 원자가 전자가 8개 미만인 베릴륨 및 붕소 화합물을 볼 수 있습니다. 이렇게 8개 미만의 전자를 가지고 있는 원자를 포함하는 분자들을 종종 전자 결핍(Electron deficient) 분자 또는 전자 결핍 화합물이라고 부릅니다.

 

BeCl2, BCl3의 전자점식

 

예외 2. 확장된 옥텟

 

주기율표를 살펴보면 3주기 이상의 원소들은 동일한 에너지 양자수를 가지는 d 오비탈에 전자를 채울 수 있습니다. 이 주기의 원자들은 옥텟규칙을 따르기도 하지만 원자가 전자 껍질을 확장하여 8개 이상의 전자를 수용할 수도 있습니다.

 

황(S)와 인(P)은 이러한 현상을 보여주는 대표적인 원소입니다. 황은 두개의 불소와 결합하여 SF2를 형성하며 옥텟규칙을 만족시킬 수 있습니다. 이 경우 각 원자들은 모두 8개의 원자가 전자를 가지게 됩니다. 하지만 여기서 황 원자를 충분히 들뜬 상태로 여기(excited)시켜 d 오비탈에 전자를 밀어넣을 수 있다면 2개 또는 4개의 불소가 더 결합한 SF4 및 SF6의 화학식을 가지는 분자가 만들어질 수 있습니다. SF4 및 SF6에서 황 원자는 각각 10개의 원자가 전자와 12개의 원자가 전자를 가지게 됩니다.

 

SF2, SF4, SF6의 전자점식

 

예외 3. 비공유 홀전자 - 자유라디칼

 

일반적으로 가장 안정한 상태의 본자나 이온들은 대부분 전자쌍을 포함하고 이를 통해 화학결합을 형성합니다. 하지만 원자가 전자 껍질에 홀수개의 전자를 포함하는 화합물들도 존재합니다. 대체로 홀수개의 전자를 가진 분자는 짝을 이루지 않는 전자, 즉 비공유 홀전자를 가지고 있는 경향이 있으며 이러한 전자는 자유 라디칼이라고도 부릅니다.

 

NO2의 전자점식

 

질소 산화물인 NO2는 비공유 홀전자를 가진 대표적인 예입니다. 루이스 전자점식 구조를 보면 질소 원자에 존재하는 비공유 홀전자가 있음을 알 수 있습니다. 참고로 NO2는 공명구조를 가지고 있습니다.