옥텟 규칙

Octet rule
이산화탄소에서의 결합2: 모든 원자는 8개의 전자로 둘러싸여 8진법을 충족한다.

옥텟 법칙은 주군 원소가 각각의 원자가 고귀한 기체와 같은 전자적 구성을 부여하면서 각각의 원자가 발란스 껍질에 8개의 전자를 갖는 방식으로 결합하는 경향이 있다는 이론을 반영하는 화학 법칙이다. 이 규칙은 특히 탄소, 질소, 산소, 할로겐에 적용되지만 나트륨이나 마그네슘과 같은 금속에도 적용된다. 수소와 헬륨에 대한 듀플렛 규칙이나 전이 금속에 대한 18 전자 규칙과 같은 다른 요소들에 대한 다른 규칙들이 존재한다.

발란스 전자는 이산화탄소에 대한 오른쪽에서 보이는 루이스 전자 도트 다이어그램을 사용하여 셀 수 있다. 공밸런트 결합에서 두 원자가 공유하는 전자는 각 원자에 대해 한 번씩 두 번 계수된다. 이산화탄소에서 각각의 산소는 중앙 탄소와 4개의 전자를 공유하고, 산소 자체에서 2개(빨간색으로 표시), 탄소에서 2개(검은색으로 표시)를 공유한다. 이 4개의 전자는 모두 탄소 옥텟과 산소 옥텟으로 계수되므로 두 원자는 모두 옥텟 규칙을 따르는 것으로 간주된다.

예: 염화나트륨(NaCl)

Ionic bonding animation.gif

이온 결합은 원자 쌍들 간에 공통적으로 이루어지는데, 이 쌍들 중 하나는 낮은 전기적(나트륨 등)의 금속이고, 두 번째는 높은 전기적(염소 등)의 비금속이다.

염소 원자는 세 번째 전자 껍질과 바깥쪽 전자 껍질에 7개의 전자를 가지고 있는데, 첫 번째와 두 번째 껍질은 각각 두 개의 전자와 여덟 개의 전자로 채워진다. 염소의 첫 번째 전자 친화력(염소가 전자를 얻어 Cl을− 형성할 때 에너지가 방출됨)은 염소 원자 몰당 349 kJ이다.[1] 가정적인 Cl을2- 형성하기 위해 두 번째 전자를 첨가하는 것은 화학적 결합의 형성에 의해 회복될 수 없는 에너지, 에너지를 필요로 할 것이다. 그 결과 염소는 Cl에서와− 같이 외부 껍질(완전 옥텟)에 8개의 전자를 가진 화합물을 형성하게 된다.

나트륨 원자는 그것의 가장 바깥쪽 전자 껍질에 하나의 전자를 가지고 있고, 첫 번째와 두 번째 껍질은 각각 두 개의 전자와 여덟 개의 전자로 가득 차 있다. 이 외부 전자를 제거하기 위해서는 첫 번째 이온화 에너지만 필요하며, 이 에너지는 +495이다.소량의 에너지인 나트륨 원자의 몰당 8 kJ. 이와는 대조적으로, 두 번째 전자는 더 깊은 두 번째 전자 껍질에 존재하며, 제거에 필요한 두 번째 이온화 에너지는 훨씬 더 크다: 몰당 +4562 kJ.[2] 따라서 대부분의 경우 나트륨은 하나의 전자를 잃고 8개의 전자, 즉 옥텟의 완전한 외피를 가진 화합물을 형성하게 된다.

나트륨 원자에서 염소 원자(나트륨의 1차 이온화 에너지와 염소의 전자 친화력의 차이: +495.8 - 349 = +147 kJ mol−1)로 전자를 전달하는 데 필요한 에너지는 작다. 이 에너지는 염화나트륨의 격자 에너지로 쉽게 상쇄된다: -783 kJ mol−1.[3] 이로써 이 경우의 옥텟 규칙에 대한 설명이 완성되었다.

역사

뉴랜드의 옥타브스 법칙

1864년 영국의 화학자 존 뉴랜즈는 62개의 알려진 원소를 8개의 그룹으로 분류했는데, 그 물질적 성질을 근거로 했다.[4][5][6][7]

19세기 후반에는 관련 원자의 유효성이 명백하게 충족될 정도로 원자나 분자의 결합에 의해 조정 화합물(이전에는 "분자 화합물"이라고 불림)이 형성되었다고 알려져 있다. 1893년 알프레드 베르너는 중심 원자와 연관된 원자나 그룹의 수("조정 번호")가 4 또는 6이라는 것을 보여주었다. 다른 조정 번호는 최대 8개까지 알려졌지만 빈도는 낮았다.[8] 1904년 리차드 아베그는 원자를 전자 공여자나 수용자로 구분하는 발란스 개념으로 조정 번호의 개념을 확장시킨 최초의 사람 중 한 사람으로, 현대 산화 상태의 개념과 크게 닮은 긍정적이고 부정적인 발란스 상태를 이끌어냈다. 아베그는 자신의 모델 아래 원소의 최대 양성 발명과 음성 발명의 차이가 자주 8개라고 언급했다.[9] 1916년, 길버트 N. 루이스는 이 통찰력을 아베그의 법칙이라고 언급하고 그것을 자신의 입체 원자 모델과 발란스와 발란스 전자를 구별하기 시작한 "8의 법칙"을 공식화하는 데 도움을 주기 위해 사용했다.[10] 1919년 어빙 랭무어는 이러한 개념을 더욱 다듬어 '큐빅 옥텟 원자'와 '옥텟 이론'[11]으로 개칭했다. "옥텟 이론"은 현재 "옥텟 규칙"으로 알려진 것으로 진화했다.

발터 코셀과[12] 길버트 N. 루이스는 고귀한 가스가 일상적인 조건에서 화학 반응에 참여하는 경향이 없다고 보았다. 이러한 관찰에 기초하여 그들은 고귀한 가스의 원자가 안정되어 있다고 결론내렸고, 이 결론에 기초하여 1916년에 "전자적인 용맹이론"으로 알려진 용맹이론을 제안하였다.

화학적 결합이 형성되는 동안 원자는 가장 가까운 고귀한 가스 구성을 획득하는 방식으로 전자를 얻거나 잃거나 공유함으로써 서로 결합한다.[13]

양자이론에서의 설명

원자의 양자 이론은 8개의 전자를 sp26 전자 구성을 가진 닫힌 껍질이라고 설명한다. 폐쇄형 쉘 구성은 낮은 층의 에너지 수준이 가득하고 높은 에너지 수준이 비어 있는 구성이다. 예를 들어, 네온 원자 접지 상태는 완전한 n = 2 셸(2s2 2p6)과 빈 n = 3 셸을 가지고 있다. 옥텟 규칙에 따르면 주기율표(즉, C, N, O, F, Na, Mg, Al)의 네온 바로 앞과 뒤에 있는 원자들은 전자를 얻거나 잃거나 공유함으로써 비슷한 구성을 얻는 경향이 있다.

아르곤 원자는 3s2 3p 구성이6 유사하다. 빈 3d 레벨도 있지만 3s, 3p(수소 원자와는 달리)에 비해 상당히 높은 에너지여서 3s2 3p는6 화학적 목적을 위한 폐쇄 쉘로 여전히 간주되고 있다. 아르곤 바로 앞과 뒤에 있는 원자들은 화합물에서 이 구성을 얻는 경향이 있다. 그러나 3D 레벨이 결합에 한 몫을 할 수 있는 일부 초가산 분자가 있다(아래 참조).

헬륨의 경우 양자 이론에 따라 1p 레벨이 없기 때문에 1s는2 p 전자가 없는 폐쇄형 쉘이다. 헬륨(H와 Li) 전후 원자는 듀엣 규칙을 따르며 헬륨과 동일한 1초2 구성을 갖는 경향이 있다.

예외

많은 반응성 중간체들은 불안정하고 팔괘를 따르지 않는다. 여기에는 카베네, 보란과 같은 종은 물론 탄소 원자의 비결합 궤도상에 비결합 전자가 있는 메틸 래디컬(CH3)과 같은 유리기가 포함되며, 같은 궤도에는 반대 회전 전자가 없다. 또 다른 예는 오존층에 해로운 것으로 알려진 CFCs가 생산하는 염소 과격이다. 이 분자들은 종종 옥텟을 완성하기 위해 반응한다.

안정적 홀수 전자 분자와 초가치 분자는 일반적으로 8진법 규칙을 위반하는 것으로 학습되지만, ab initio 분자 궤도 계산에서는 대부분 8진법 규칙을 준수한다는 것을 보여준다(아래 3전자 결합 및 초가치 분자 섹션 참조).

삼전사채

개별 2e 본드와 3e 본드의 Lewis 및 MO 다이어그램

일부 안정적인 분자 활성산소(예: 질소산화물, NO)는 각 결합 원자의 옥텟에 공유 전자와 공유되지 않은 전자 1개를 기여하는 3전자 결합을 통해 옥텟 구성을 얻는다.[14] NO에서 각 원자의 옥텟은 3전자 결합에서 나온 두 개의 전자와 그 원자에 대한 비결합 전자 한 쌍에서 나온 두 개의 전자에 더하여 두 개의 2전자 결합에서 나온 네 개의 전자와 그 원자에 대한 하나의 쌍에서 나온 두 개의 전자로 구성된다. 각 2전자 본드는 하나의 본드로 계산되는 반면 3전자 본드는 하나의 공유 전자만 가지고 있어 반본드에 해당하기 때문에 채권 순서는 2.5이다.

다이옥시겐은 때때로 두 쌍의 공유 전자가 포함된 이중 결합(O=O)으로 옥텟 규칙을 준수하는 것으로 표현된다.[15] 그러나 이 분자의 접지 상태는 파라마그네틱으로, 손상되지 않은 전자의 존재를 나타낸다. Pauling은 이 분자가 실제로 두 개의 3전자 결합과 한 개의 정상적인 공밸런트 결합을 포함하고 있다고 제안했다.[16] 그러면 각 원자의 옥텟은 각 3전자 결합에서 나온 두 개의 전자와 공밸런트 결합의 두 개의 전자, 그리고 한 쌍의 비결합 전자로 구성된다. 채권 순서는 1+0.5+0.5=2이다.

3e 본드를 가진 Lewis 구조 수정
산화질소
다이옥시겐

고밸런스 분자

주요 기사: 고밸런스 분자

주기율표의 세 번째와 그 이후의 행에 있는 주군 원소는 주군 원자가 인 펜타플루오리드, PF5, 그리고 SF와6 같은 4개 이상의 다른 원자에 결합되는 초코디네이트 또는 초밸류 분자를 형성할 수 있다. 예를 들어, PF에서5 5개의 구별되는 전자 쌍을 공유하는 5개의 진정한 공밸런트 결합이 있다고 가정할 경우, 인은 8진법을 위반하여 10개의 발란스 전자에 둘러싸이게 된다. 양자역학 초기 폴링은 3열 원자가 1s, 3p, 1d 궤도를 사용함으로써 5개의 결합을 형성하거나, 1s, 3p, 2d 궤도를 사용함으로써 6개의 결합을 형성할 수 있다고 제안했다.[17] 5개의 결합을 형성하기 위해 1s, 3p, 1d 궤도들이 결합하여 각각 할로겐 원자와 전자쌍을 공유하는 5개의 spd3 하이브리드 궤도를 형성하는데, 총 10개의 공유 전자가 8진법칙이 예측하는 것보다 2개가 더 많다. 6개의 결합을 형성하는 것과 유사하게, 6개의 spd32 하이브리드 궤도들은 12개의 공유 전자를 가진 6개의 결합을 형성한다.[18] 이 모델에서 빈 d 궤도들의 가용성은 인, 황과 같은 3열 원자가 4개 이상의 공밸런스 결합을 형성할 수 있는 반면 질소, 산소 같은 2열 원자는 8진법에 의해 엄격히 제한된다는 사실을 설명하는 데 사용된다.[19]

5개의 공진구조물 인 펜타플루오라이드

그러나 다른 모델에서는 8진수 규칙과 일치하는 s 및 p 궤도만을 사용하여 본딩을 설명한다. PF의5 발란스 본드 설명서는 서로 다른 PF4+ F 구조물− 사이에 공진을 사용하므로 각 F는 4개 구조물의 공칭 결합과 1개 구조물의 이온 결합에 의해 결합된다. 각각의 공명 구조는 P에 8개의 발란스 전자를 가지고 있다.[20] 분자 궤도이론 서술은 가장 많이 점유된 분자궤도를 네 개의 점유된 본딩 궤도 외에 다섯 개의 불소 원자에 국부화된 비본딩 궤도라고 간주하므로, 다시 인에는 8개의 발란스 전자가 있을 뿐이다.[citation needed] 초값 분자에 대한 옥텟 규칙의 유효성은 본딩 궤도에 대한 d 함수의 기여가 작다는 것을 보여주는 ab initio 분자 궤도 계산에 의해 더욱 뒷받침된다.[21][22]

그럼에도 불구하고 역사적 이유로 P, S, Se, 또는 I와 같은 원소를 중심으로 8개 이상의 전자를 암시하는 구조는 여전히 교과서나 연구 기사에서 흔히 볼 수 있다. 화학적 본딩에서 d 쉘 확장의 중요성이 없음에도 불구하고, 이 관행은 많은 수의 공식 전하 또는 부분 본드를 사용하지 않고 구조를 보여줄 수 있도록 하며, IUPAC가 본딩을 더 잘 반영하는 서술에 우선하여 편리한 형식주의로 권고하고 있다. 반면 Be, B, C, N, O, F(또는 H, He, Li 둘 이상의 주위에 2개 이상의 전자)를 보이는 것은 대부분의 당국에서 오류로 간주한다.

기타 규칙

옥텟 규칙은 주군 요소에만 적용된다. 다른 원소들은 그들의 발란스 전자 구성이 주군 원소와 다르기 때문에 다른 전자 계수 규칙을 따른다. 이러한 다른 규칙은 다음과 같다.

요소형식 퍼스트 쉘 p-block
(주군)		 d-블록
(변환 금속)
전자 계수 규칙 듀엣/듀플릿 규칙 옥텟 규칙 18대 규칙
전체 발란스 구성 s2 s2p6 d10s2p6
  • 첫 번째 껍질의 듀엣 규칙이나 듀플릿 규칙은 H, He, Li에 적용된다. 즉, 고귀한 가스 헬륨은 바깥 껍질에 두 개의 전자를 가지고 있어 매우 안정적이다. (1p 서브쉘이 없기 때문에 1s는 즉시 2s가 뒤따르기 때문에 셸 1은 최대 2 발란스 전자만 가질 수 있다.) 수소는 이 안정된 구성을 얻기 위해 오직 하나의 추가 전자가 필요한 반면, 리튬은 하나를 잃으면 된다.
  • 전이 금속의 경우 분자는 본딩 및 비결합 궤도를 형성하기 위해 발란스 d, s 및 p 궤도의 이용에 해당하는 18 전자 법칙을 따르는 경향이 있다. 그러나 주군 원소의 옥텟 규칙과는 달리 전이 금속은 18전자의 법칙을 엄격히 준수하지 않으며 발란스 전자 카운트는 12에서 18사이의 차이를 보일 수 있다.[23][24][25][26]

참고 항목

참조

  1. ^ Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2005). Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Education Limited. p. 883. ISBN 0130-39913-2. Source gives enthalpy change -349 kJ corresponding to energy release +349 kJ
  2. ^ Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2005). Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Education Limited. p. 880. ISBN 0130-39913-2.
  3. ^ Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2005). Inorganic Chemistry (2nd ed.). Pearson Education Limited. p. 156. ISBN 0130-39913-2.
  4. ^ 참조:
  5. ^ 1863년 2월 Chemistic News에 게재된 서신에 따르면, 주목할 만한 이름 데이터 베이스에 의하면.
  6. ^ 요소 분류에 관한 뉴랜드
  7. ^ Ley, Willy (October 1966). "For Your Information: The Delayed Discovery". Galaxy Science Fiction. 25 (1): 116–127.
  8. ^ 참조:
    • Werner, Alfred (1893). "Beitrag zur Konstitution anorganischer Verbindungen" [Contribution to the constitution of inorganic compounds]. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (in German). 3: 267–330. doi:10.1002/zaac.18930030136.
    • 영어 번역: Werner, Alfred; Kauffman, G.B., trans. & ed. (1968). Classics in Coordination Chemistry, Part I: The selected papers of Alfred Werner. New York City, New York, USA: Dover Publications. pp. 5–88.{{cite book}}: 일반 이름(도움말) 포함
  9. ^ Abegg, R. (1904). "Die Valenz und das periodische System. Versuch einer Theorie der Molekularverbindungen" [Valency and the periodic system. Attempt at a theory of molecular compounds]. Zeitschrift für Anorganische Chemie. 39 (1): 330–380. doi:10.1002/zaac.19040390125.
  10. ^ Lewis, Gilbert N. (1916). "The Atom and the Molecule". Journal of the American Chemical Society. 38 (4): 762–785. doi:10.1021/ja02261a002.
  11. ^ Langmuir, Irving (1919). "The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules". Journal of the American Chemical Society. 41 (6): 868–934. doi:10.1021/ja02227a002.
  12. ^ Kossel, W. (1916). "Über Molekülbildung als Frage des Atombaus" [On the formation of molecules as a question of atomic structure]. Annalen der Physik (in German). 354 (3): 229–362. Bibcode:1916AnP...354..229K. doi:10.1002/andp.19163540302.
  13. ^ "The Atom and the Molecule. April 1916. - Published Papers and Official Documents - Linus Pauling and The Nature of the Chemical Bond: A Documentary History". Osulibrary.oregonstate.edu. Archived from the original on November 25, 2013. Retrieved 2014-01-03.
  14. ^ Harcourt, Richard D., ed. (2015). "Chapter 2: Pauling "3-Electron Bonds", 4-Electron 3-Centre Bonding, and the Need for an "Increased-Valence" Theory". Bonding in Electron-Rich Molecules: Qualitative Valence-Bond Approach via Increased-Valence Structures. Springer. ISBN 9783319166766.
  15. ^ 예를 들어, R.H.에 의한 일반 화학.미국 페트루치하우드와 F.G.헤링(8부, 프렌티스홀 2002, ISBN 0-13-014329-4, 페이지 395)은 루이스 구조물을 이중 결합으로 작성하지만, 관찰된 파라마그니즘을 설명하지 못하기 때문에 이 구조의 타당성에 대해 약간의 의문이 있다는 설명과 함께 물음표를 덧붙인다.
  16. ^ L. Pauling The Nature of the Chemical Bond (제3판, Oxford University Press 1960) 10장.
  17. ^ L. Pauling The Nature of the Chemical Bond (제3판, 옥스퍼드 대학 출판부 1960년) 페이지 63. 이 소스에서 Pauling은 PCl과5 PF6− 이온을 예로 들었다. ISBN 0-8014-0333-2
  18. ^ R.H. 페트루치, W.S. 하우드와 F.G. 헤링, 일반 화학 (제8편, 프렌티스 홀 2002) p.408 및 p.445 ISBN 0-13-014329-4
  19. ^ 더글러스 B.E. 맥대니얼 D.H.와 알렉산더 J.J. 무기화학 개념과 모델(2차, 존 와일리 1983) pp.45-47 ISBN 0-471-21984-3
  20. ^ 하우스크로프트 C.E. 및 샤프 A.G., 무기화학, 2부(Peerson Education Ltd. 2005), 페이지 390-1
  21. ^ Miessler D.L.과 Tarr G.A., 무기화학, 제2편 (Prentice-Hall 1999), 페이지 48
  22. ^ 마그누손, E, J.A.M.Chem.Soc. (1990), v.112, p.7940-51 2열 원소의 하이퍼 조정 분자: d 함수 또는 d 궤도?
  23. ^ Frenking, Gernot; Shaik, Sason, eds. (May 2014). "Chapter 7: Chemical bonding in Transition Metal Compounds". The Chemical Bond: Chemical Bonding Across the Periodic Table. Wiley -VCH. ISBN 978-3-527-33315-8.
  24. ^ Frenking, Gernot; Fröhlich, Nikolaus (2000). "The Nature of the Bonding in Transition-Metal Compounds". Chem. Rev. 100 (2): 717–774. doi:10.1021/cr980401l. PMID 11749249.
  25. ^ Bayse, Craig; Hall, Michael (1999). "Prediction of the Geometries of Simple Transition Metal Polyhydride Complexes by Symmetry Analysis". J. Am. Chem. Soc. 121 (6): 1348–1358. doi:10.1021/ja981965+.
  26. ^ King, R.B. (2000). "Structure and bonding in homoleptic transition metal hydride anions". Coordination Chemistry Reviews. 200–202: 813–829. doi:10.1016/S0010-8545(00)00263-0.