배위수와 산화수를 분리하고 사면체·평면사각형·팔면체 구조 및 기하·광학 이성질을 판별합니다.

CHEMISTRY · PART 6 · 무기화학 I: 대칭과 전이금속03 / 06

배위수 4인 착물은 사면체일 수도 평면사각형일 수도 있고, 같은 조성의 착물이 색·자성·반응성에서 달라질 수 있습니다.

금속 주변 원자 수만으로 구조를 정할 수 없다면 무엇이 기하와 이성질을 결정할까요?

이번 장의 답금속의 d 전자수, 리간드장 안정화, 리간드 크기와 전자효과, 결정 포장을 함께 봅니다. 연결 순서와 공간 배치가 다르면 구조·기하·광학 이성질체가 생깁니다.

01기초부터 계산까지

CHEMISTRY, FROM ZERO

배위구조: 처음 배우는 사람을 위한 출발점

배위수는 금속에 직접 결합한 donor 원자 수이고, 산화수는 전자 장부이며, d 전자수는 금속족 번호에서 산화수를 뺀 값입니다. 세 숫자를 섞지 않아야 같은 조성의 착물에서 사면체·평면사각형·팔면체와 이성질을 안정적으로 판별할 수 있습니다.

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배위수

중심 원자에 직접 결합한 주개 원자의 수입니다.

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킬레이트

다가 리간드가 하나의 금속에 둘 이상의 결합을 만들어 형성한 고리입니다.

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기하이성질

같은 연결에서 리간드의 상대 위치가 다른 입체이성질입니다.

CONCEPT ROUTE

이 글에서 생각이 이어지는 순서

용어를 외우는 대신, 관찰에서 모형과 계산을 거쳐 실제 해석으로 가는 흐름을 먼저 잡습니다.

01산화수·dⁿ

출발점

02배위수

핵심 변수

03가능 기하

모델 적용

04분광·자성 검증

검증과 해석

$$ composition ≠ geometry $$

READ THE EQUATION

공식을 계산기에 넣기 전에 읽는 법

$$ d^n = \text{group number}-\text{oxidation state} $$
중성 원자 전자배치에서 s 전자를 먼저 제거해 전이금속 이온의 d 전자수를 셉니다.
01

중성·음이온 리간드의 형식전하와 착물 총전하로 금속 산화수를 먼저 계산합니다.

02

d 전자수=족 번호−산화수로 구한 뒤 배위수·리간드장·금속 주기를 사용해 가능한 기하를 비교합니다.

03

같은 연결에서 cis/trans, fac/mer, Δ/Λ처럼 공간배열이 다른 구조를 그려 대칭과 광학활성을 확인합니다.

WORKED FOUNDATIONS

기본 계산과 판단을 세 단계로 완전히 전개합니다

숫자 대입, 단위, 결과의 물리적 뜻을 한 번에 확인하세요.

01

Fe²⁺와 Co³⁺의 d 전자수

$$ \mathrm{Fe^{2+}}:d^{8-2}=d^6,\qquad \mathrm{Co^{3+}}:d^{9-3}=d^6 $$

원소와 산화수는 다르지만 둘 다 d⁶입니다. 같은 d 전자수라도 금속전하와 리간드장 세기가 달라 스핀상태는 다를 수 있습니다.

02

[PtCl₄]²⁻의 산화수와 d 전자수

$$ x+4(-1)=-2\Rightarrow x=+2,\qquad \mathrm{Pt(II)}:d^{10-2}=d^8 $$

5d⁸ Pt(II)는 강한 리간드장과 큰 분열 때문에 흔히 평면사각형입니다. 배위수 4라고 모두 사면체는 아닙니다.

03

[Pt(NH₃)₂Cl₂]의 기하이성질체

$$ N_{geometric}=2:\quad cis\text{-}[\mathrm{Pt(NH_3)_2Cl_2}],\quad trans\text{-}[\mathrm{Pt(NH_3)_2Cl_2}] $$

평면사각형에서 같은 리간드 두 개가 90°로 이웃하면 cis, 180° 마주 보면 trans입니다. 같은 분자식이어도 반응성과 생물활성이 달라집니다.

스스로 확인하기 · 금속 주변 원자 수만으로 구조를 정할 수 없다면 무엇이 기하와 이성질을 결정할까요?

금속의 d 전자수, 리간드장 안정화, 리간드 크기와 전자효과, 결정 포장을 함께 봅니다. 연결 순서와 공간 배치가 다르면 구조·기하·광학 이성질체가 생깁니다.

02왜 이 개념이 필요한가

배위수 4인 착물은 사면체일 수도 평면사각형일 수도 있고, 같은 조성의 착물이 색·자성·반응성에서 달라질 수 있습니다. 이 장면을 풀려면 용어를 외우는 것보다 어떤 물리량을 고정하고 무엇을 변화시키는지 먼저 정해야 합니다. 배위수와 산화수를 분리하고 사면체·평면사각형·팔면체 구조 및 기하·광학 이성질을 판별합니다.

읽기 전에 구분할 것
  • 배위수와 산화수, 리간드 수는 서로 다릅니다.
  • 구조이성질은 연결이 다르고 입체이성질은 연결은 같지만 공간 배열이 다릅니다.
  • 결정에서 보인 배위기하가 용액에서도 그대로 유지된다는 보장은 없습니다.

03핵심 모델과 식

배위수는 금속에 직접 결합한 주개 원자 수이고 산화수는 전자 장부입니다. d⁸ Pt(II) 같은 강한 장 계는 평면사각형을 선호하지만 d¹⁰ Zn(II)는 흔히 사면체입니다. 팔면체 MA₄B₂는 cis/trans, M(AA)₃는 Δ/Λ 거울상 구조를 가질 수 있습니다.

$$ d^n = \text{group number}-\text{oxidation state} $$
중성 원자 전자배치에서 s 전자를 먼저 제거해 전이금속 이온의 d 전자수를 셉니다.

04공학 예제로 계산하기

Ni(II) 배위수 4 착물은 리간드장과 입체효과에 따라 사면체 상자성 또는 평면사각형 반자성이 될 수 있습니다. 자화율과 UV–Vis는 X선구조와 독립적인 기하 증거를 줍니다.

풀이와 해석의 순서
  • 리간드 전하로 금속 산화수와 d 전자수를 계산합니다.
  • 주개 원자 수와 리간드 치환 패턴으로 가능한 기하·이성질체를 열거합니다.
  • 자성·분광·회절·반응성 증거로 실제 구조와 용액 거동을 교차검증합니다.

05오해·한계·다음 연결

VSEPR은 전이금속 배위기하에 충분하지 않습니다. Jahn–Teller 왜곡, 다중 금속 결합, 유연한 리간드와 고체 포장은 이상 기하에서 벗어나게 합니다.

재료·DFT로 이어지는 연결
  • MOF 노드의 연결수와 기하는 네트워크 위상을 제한합니다.
  • 착물의 이성질은 촉매 선택성과 전자전달 경로를 바꿉니다.
  • 결정장 분열과 스핀상태가 기하 선호를 정량화합니다.

06이 글의 용어 사전

본문을 읽다가 “그래서 이 말이 정확히 뭐지?”라는 질문이 생기면 여기에서 다시 확인할 수 있습니다.

배위수coordination number
중심 원자에 직접 결합한 주개 원자의 수입니다.
킬레이트chelate
다가 리간드가 하나의 금속에 둘 이상의 결합을 만들어 형성한 고리입니다.
기하이성질geometrical isomerism
같은 연결에서 리간드의 상대 위치가 다른 입체이성질입니다.
리간드ligand
금속 중심에 전자쌍을 제공해 배위 결합을 만드는 이온 또는 분자입니다.
리간드장ligand field
리간드와 금속 오비탈의 상호작용으로 d 오비탈 에너지가 갈라지는 전자구조 환경입니다.

07참고자료와 더 읽을거리

  1. KAIST 화학과 학부 교과목 개요 — 물리·유기·분석·무기·재료화학 과목의 공식 범위와 연결을 확인하는 기준입니다.
  2. IUPAC Gold Book: coordination chemistry — 리간드·배위수·결정장·전자전이 용어를 정확히 구분합니다.
  3. CCDC, Teaching Crystallography — 분자 대칭과 배위 구조를 실제 결정 구조 자료로 학습합니다.
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