형식 전하와 혼성화 구하는 법, 무료 계산기와 함께

형식 전하란?

형식 전하는 루이스 구조의 모든 결합을 두 원자가 똑같이 나눈다고 할 때 원자가 갖게 되는 전하입니다. 장부 정리용 도구로, 주어진 루이스 구조에서 이온의 전하가 어디에 있는지 알려 주고, 구조가 여러 개일 때 가장 좋은 구조를 고르는 데 도움이 됩니다.

공식은 FC = V − N − B/2입니다.

• V는 자유 원자의 원자가 전자 수입니다. 주족 원소는 족 번호의 일의 자리와 같습니다: C = 4, N = 5, O = 6, F와 Cl = 7.
• N은 그 원자의 비결합 전자 수입니다. 비공유 전자쌍 하나는 2로 셉니다.
• B는 원자 주위의 결합 전자 수입니다. 단일 결합은 2, 이중 결합은 4, 삼중 결합은 6으로 셉니다. B/2는 결합 수와 같습니다.

모든 원자의 형식 전하를 더하면 분자나 이온의 전체 전하가 됩니다.

혼성화란 무엇이고 어떻게 구하나

혼성화는 원자가 σ 결합과 비공유 전자쌍에 어떤 s·p 오비탈 조합을 쓰는지를 나타냅니다. 입체수, 즉 그 원자에 결합한 원자 수와 비공유 전자쌍 수의 합으로 구합니다. 두 원자 사이에는 σ 결합이 하나뿐이므로 이중·삼중 결합은 한 번만 셉니다.

짝지음 예외. π 결합 옆에 비공유 전자쌍을 가진 질소, 산소, 탄소 음이온은 보통 그 전자쌍을 p 오비탈에 두어 비편재화할 수 있게 합니다. 그러면 단순 계산으로는 4가 나오더라도 원자는 혼성 오비탈 세 개를 쓰는 sp²가 됩니다. 아마이드, 아닐린, 피롤의 N, 에스터, 페놀, 퓨란의 O, 카복실산 음이온과 나이트로기의 O⁻가 여기에 해당합니다.

계산기 단계별 사용법

1. 형식 전하 및 혼성화 계산기를 엽니다.
2. 편집기에서 구조를 그리거나 SMILES 또는 화학식 상자에 입력하고 계산을 누릅니다. NO3-, SO4^2-, XeF4 같은 화학식은 중심 원자가 하나인 화학종에 쓸 수 있습니다. 그 밖의 경우에는 C[N+](=O)[O-] 같은 SMILES를 쓰세요.
3. 또는 예제 버튼을 누릅니다: CO₂, NO₃⁻, 오존, 나이트로메테인, 아세트산 이온, 아닐린 등.
4. 표를 읽습니다. 각 행에는 V, N, B, 계산식 형식 전하 = V − N − B/2, 입체수, 혼성화, 전자 기하 구조, 모양, 대략적인 결합각이 나옵니다. H 원자도 보려면 표에 수소 원자 표시를 체크하세요.
5. 입체수에 붙은 별표는 짝지은 비공유 전자쌍(sp³ 대신 sp²)을 뜻합니다.
6. 종이에 그린 구조의 원자 하나를 확인하려면 형식 전하 직접 확인을 사용하세요: 원소, 결합한 원자 수, 그린 결합 수, 비공유 전자쌍 수를 입력합니다.
7. 구조를 보관하고 내보내려면 MolDraw에서 열기를 누르세요.

풀이 예제

1. 질산 이온, NO₃⁻

N=O 이중 결합 하나와 N–O 단일 결합 두 개. N에는 비공유 전자쌍이 없습니다: FC = 5 − 0 − 8/2 = +1. 이중 결합한 O는 비공유 전자쌍이 2개입니다: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. 단일 결합한 O는 각각 비공유 전자쌍이 3개입니다: FC = 6 − 6 − 2/2 = −1. 합 = +1 + 0 − 1 − 1 = −1. N은 σ 결합 세 개에 비공유 전자쌍이 없으므로 sp²이고 평면 삼각형(120°)입니다.

2. 오존, O₃

가운데 O는 비공유 전자쌍 하나, 이중 결합 하나, 단일 결합 하나를 가집니다: FC = 6 − 2 − 6/2 = +1. 단일 결합한 끝의 O는 비공유 전자쌍이 3개입니다: FC = 6 − 6 − 1 = −1. 이중 결합한 끝의 O는 0입니다. 가운데 O는 입체수 3(원자 2 + 비공유 전자쌍 1)이므로 sp²이고 굽은형이며, 측정된 각은 116.8°입니다.

3. 사이안화 이온, CN⁻

C≡N이고 각 원자에 비공유 전자쌍이 하나씩 있습니다. C: FC = 4 − 2 − 6/2 = −1. N: FC = 5 − 2 − 6/2 = 0. 음전하가 탄소에 있기 때문에 사이안화 이온은 C를 통해 금속과 결합합니다. 두 원자 모두 sp입니다.

4. 나이트로메테인, CH₃NO₂

N은 결합 네 개(C–N 하나, N=O 하나, N–O 하나)를 가지고 비공유 전자쌍이 없습니다: FC = 5 − 0 − 8/2 = +1. 단일 결합한 O는 −1입니다. N=O 결합을 두 개 그리면 질소에 전자가 10개가 되는데, 2주기 원자는 이를 감당할 수 없습니다. N은 sp², CH₃의 탄소는 sp³입니다.

5. 아세트아마이드, CH₃CONH₂

모든 형식 전하가 0입니다. N은 σ 결합 세 개와 비공유 전자쌍 하나를 가지므로 단순 계산으로는 sp³입니다. 그러나 비공유 전자쌍이 C=O π 결합 옆에 있어 비편재화되므로 아마이드 N은 sp²이고 평면입니다. 그래서 아마이드의 C–N 결합은 부분적인 이중 결합 성질을 띱니다.

요약 표

흔한 실수

• B/2 대신 B를 빼는 것. B를 전자 수로 셌다면 2로 나누세요.
• N에 비공유 전자 수 대신 비공유 전자쌍 수를 넣는 것. 비공유 전자쌍 두 개는 N = 4입니다.
• 입체수를 구할 때 이중 결합을 영역 두 개로 세는 것.
• C, N, O에 전자를 8개보다 많이 주는 것. 3주기 이하의 원자(P, S, Cl, Xe)만 옥텟을 확장할 수 있습니다.
• 아마이드나 아닐린의 질소를 sp³라고 하는 것.
• 형식 전하와 산화수를 혼동하는 것. CO₂에서 C의 형식 전하는 0이지만 산화수는 +4입니다.

시험 팁 (JEE, NEET, AP, A-level)

• 합을 확인하세요. 형식 전하의 합은 이온의 전하와 같아야 합니다. 맞지 않으면 비공유 전자쌍이 빠졌거나 남는 것입니다.
• 가장 좋은 루이스 구조: 형식 전하가 0에 가장 가깝고, 음전하가 전기 음성도가 더 큰 원자에 있으며, 2주기 원자에 옥텟이 8을 넘지 않는 구조입니다.
• JEE와 NEET는 I₃⁻(sp³d), XeF₄(sp³d²), SO₄²⁻(sp³) 같은 이온에서 중심 원자의 혼성화를 자주 묻습니다. 입체수를 이용하세요.
• AP Chemistry 서술형 문항은 형식 전하로 가장 좋은 공명 구조나 루이스 구조를 정당화하라고 요구합니다. V − N − B/2 계산을 적으세요.
• 아마이드의 평면성이나 아닐린의 염기성에 관한 A-level 유기화학 문제는 sp² 질소와 비편재화된 비공유 전자쌍에 근거합니다.

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