<제시문>

(가) 원자의 최외각 전자 껍질에 존재하는 원자가 전자 중에서 쌍을 이루지 않는 전자를 홀전자라고 하는데, 원자들이 공유 결합을 할 때에는 홀전자들이 전자쌍을 이뤄 공유 전자쌍을 만든다. 공유 결합을 가지는 원자는 다른 원자들과 전자를 공유함으로써 비활성 기체와 같이 안정된 전자 배치를 이루면서 옥텟 규칙을 만족시킨다.

(나) 1940년 시지윅은 공유 결합으로 형성된 분자에서 중심원자를 둘러싸고 있는 전자쌍들은 그들 사이의 반발력 때문에 가능한 한 서로 멀리 떨어져 있으려고 한다는 전자쌍 반발 원리를 제안했다. 루이스 전자점식과 전자쌍 반발원리를 적용하면 공유 결합 화합물의 분자 구조를 예측할 수 있다.

(다) 어떤 물질이 전자를 잃는 반응을 산화 반응이라 하고, 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라고도 한다.

(라) 공유 결합 화합물에서 산화수는 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자쌍을 모두 차지했다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다.

문제 1) 웃음 가스로 알려진 아산화 질소[N2O(g)]는 주로 질산암모늄[NH4NO3(s)]을 분해시켜서 만든다. 질산암모늄[NH4NO3(s)]과 아산화 질소[N2O(g)]의 루이스 전자점식을 각각 한 개씩만 제시하고 각 전자점식에 해당하는 구조를 예측하시오.

예시답안) 제시문 (가)에 근거해 가능한 질산암모늄과 아산화 질소[NH4NO3(s)]의 루이스 전자점식은 다음과 같다.

제시문 (나)의 전자쌍 반발 이론을 이용하면 질산암모늄[N2O(g)]의 암모늄이온은 네 개의 공유 전자쌍들이 반발해 서로 가장 먼 거리에 위치하려고 하므로 정사면체 구조를 가지게 된다. 질산 이온도 네 개의 공유 전자쌍을 가지지만 하나의 전자쌍은 공명 구조에 의해서 세 개의 N - O 사이의 결합에 같은 정도로 기여한다. 따라서 세 쌍의 공유 전자쌍이 서로 반발하는 평면 삼각형 구조를 가진다. 아산화 질소는 답안에 제시된 루이스 전자점식에 따라 원자들이 일렬로 연결된 세 구조는 직선형 구조를 나머지 두 구조는 삼각형 구조를 가진다.

문제 2) 산화수 규칙에 의하면 아산화 질소[N2O(g)]의 질소 원자는 ‘+1’, 산소 원자는 ‘-’의 산화수를 갖는다. 제시문 (가)와 (라)에 근거해 질산암모늄[N2O(g)]을 구성하는 각 원자의 산화수를 구하고, 아래의 산화-환원 반응에서 산화되는 원소와 환원되는 원소의 산화수 변화를 논리적으로 설명하시오. 단, 전기 음성도 세기는 O>N >H 이다.

NH4NO3(s)→2H2O(g)

예시답안) 제시문 (라)에 근거해 암모늄이온에서는 수소보다 전기 음성도가 큰 질소가 모든 공유 전자쌍을 차지하게 되므로 암모늄이온의 질소는 ‘-3’의 산화수를 가진다. 수소는 모든 전자를 빼앗겨 ‘+1’의 산화수를 가진다.

질산 이온의 질소는 전기 음성도가 강한 산소에 의해서 둘러싸여 있다. 모든 공유 전자쌍을 산소가 소유하게 되므로 질소의 산화수는 ‘+5’가 된다. 산소는 중성의 산소 원자보다 2개 더 많은 전자를 소유하므로 ‘-2’의 산화수를 가진다.

반응물의 하나인 H2O의 각 원자의 산화수는 산화수 규칙을 이용하거나 루이스 전자점식을 이용하면 산소 원자는 ‘-2’로 수소 원자는 ‘+1’로 결정할 수 있다.

얻어진 산화수를 주어진 산화-환원 반응에 표시하면 다음과 같다.

수소 원자와 산소 원자는 산화수의 변화가 없다. 위의 반응식에서 보이듯이 암모늄이온의 질소는 산화수가 증가했으므로 산화된다.

또한 질산 이온에 포함된 질소 원자는 산화수가 감소했으므로 환원됐다.

정도원(수시전문학원 프로네시스 이과 원장)