2018 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 19번 풀이

2018 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 19번 풀이

개요

  착물과 착이온에 관한 문제입니다. 5 종류의 착이온이 주어진 뒤 순서도에 따라 분류하는 문제입니다. 착물과 착이온에 관한 문제를 풀기 위해서는 4주기 전이금속의 번호를 기억해두는 것이 편합니다. 특히 21번 스칸듐부터 30번 아연의 경우 원자번호의 끝자리가 [Ar]^18 4s^2 3d^n 에서의 n의 개수와 같기 때문에 중심 금속이 리간드에 의해 에너지 갈라짐이 발생했을 때 갖는 전자 배치나 홀전자 수를 통한 자기적 성질 등을 파악하는데 유용합니다.

Sc  Ti  V  Cr  Mn  Fe  Co  Ni  Cu  Zn    (스  티  바  크  망  철  코  니  구  아)

풀이

주어진 5 종류의 착이온에 대해서 얻을 수 있는 정보를 정리해보면,

[Fe(CN)6]4- : 

  CN-는 한자리 리간드이며, -1가 리간드입니다. 주어진 착이온의 경우 총 6개의 CN- 리간드에 의해 팔면체 구조를 이루며, 중심 금속인 Fe(26번) 이온의 산화수는 +2가 됩니다. 

  Fe2+ 이온은 d-오비탈에 전자를 6개 (d^6) 가지며, CN-는 강한장으로 중심금속의 d-오비탈 갈라짐이 커 저스핀 전자배치를 갖게 됩니다. 전자 배치는 t2g^6 으로 eg에는 전자가 채워지지 않으며, 모든 전자가 짝지어 있기 때문에 반자성을 나타내는 것을 알 수 있습니다.

[CoCl4]2- :

  Cl-는 한자리 리간드이며, -1 리간드입니다. 주어진 착이온의 경우 총 4개의 Cl- 리간드에 의해 사면체 구조를 이루며, 중심 금속인 Co(27번) 이온의 산화수는 +2가 됩니다.

  Co2+ 이온은 d-오비탈에 전자를 7개 (d^7) 가지며, 사면체 착물의 경우 팔면체의 4/9 정도의 결정장 갈라짐을 갖기 때문에 대부분 약한장처럼 취급될 수 있으며, 고스핀 착물을 형성합니다. 전자배치를 나타내면, (eg^4) (t2g^3) 이 됩니다. (사실 사면체 d^7의 경우에는 강한장, 약한장 구분없이 모두 동일한 전자배치를 갖기 때문에 이 문제에서 리간드가 형성하는 장의 세기를 다루는 것이 무의미합니다.)

  전자배치 결과 모든 d-오비탈이 전자로 채워져 있으며, t2g의 전자는 모두 홀전자로 존재하기 때문에 상자성을 나타낼 것으로 예상할 수 있습니다.

[CoF6]3- :

  F-는 Cl-와 마찬가지로 한자리 리간드이면서 -1가 리간드입니다. 주어진 착이온의 경우 총 6개의 F- 리간드에 의해 팔면체 구조를 이루며, 중심 금속인 Co 이온의 산화수는 +3이 됩니다. 

  Co3+ 이온은 d-오비탈에 전자를 6개 (d^6) 가지며, F-는 약한장으로 중심 금속의 d-오비탈 갈라짐이 작아 고스핀 전자배치를 갖게 됩니다. 전자 배치는 (t2g^4) (eg^2) 를 가지며, 모든 d-오비탈에 전자가 채워짐을 알 수 있다. 또한 홀전자를 갖기 때문에 상자성을 가짐을 알 수 있다.

[Ni(CN)4]2- :

  CN-는 한자리, -1가 리간드이므로, 중심 금속인 Ni(28번) 이온의 산화수는 +2가 된다.

  Ni2+ 의 d-오비탈 전자수는 8개 이며, d^8 중심금속의 4배위 착물의 경우 특징적으로 사각평면(square planar) 구조를 가질 수 있습니다. (d^8 중심금속이지만 예외적으로 사면체 착물을 형성하는 경우도 있습니다. 하지만, 문제의 도표를 보면, 해당 화합물은 사면체가 아님을 알 수 있습니다.) 

  사각평면 구조는 팔면체 구조에서 z축이 무한대만큼 늘어난 형태로 설명될 수 있으며, 이에 z축 성분을 포함한 d-오비탈들이 상대적으로 안정해지는 전자배치를 갖습니다. 주어진 착물의 경우 (d_xz^2 d_yz^2) (d_z2^2) (d_xy^2) 의 전자배치를 가지며, 제일 높은 에너지를 갖는 d_x2-y2의 경우 비어있습니다. 하지만 이 경우에도 역시 채워진 모든 전자는 짝지어져 있으며, 반자성을 나타냅니다.

[ZnCl4]2- :

  Cl-는 한자리, -1가 리간드이므로, 중심 금속인 Zn(30번) 이온의 산화수는 +2가 됩니다.

  Zn2+ 의 d-오비탈 전자수는 10개 이며, Cl-에 의해 사면체 착이온을 형성한다. Zn2+ 이온은 d-오비탈에 전자가 꽉채워져 있으므로, (eg^4) (t2g^6) 의 전자배치를 가지며, 홀전자를 갖지 않아 반자성을 나타낸다.

정리

  위의 착물의 특성을 바탕으로 보기를 살펴보면, 문장의 옳고 그름을 판단할 수 있습니다.

ㄱ. 사면체 구조가 아닌, [Fe(CN)6]4-, [CoF6]3-, [Ni(CN)4]2- 의 경우 '금속의 모든 3d 오비탈에 전자가 채워져 있는가?'의 질문을 통해 구분이 가능합니다. [Fe(CN)6]4-의 경우 d6 강한장이므로, 전자가 채워져 있지 않은 d오비탈(eg)이 존재하며, [Ni(CN)4]2-의 경우 d8 전자배치에서 가장 위쪽의 dx2-y2 오비탈이 채워지지 않습는다. 반면, [CoF6]3-의 경우 d6 약한장으로 모든 d오비탈에 전자가 채워집니다. (참)

ㄴ. (가)는 사면체 구조를 가지면서, 동시에 상자성을 나타내는 착물을 찾는 것입니다. 해당 착물은 [CoCl4]2- 임을 알 수 있습니다. (참)

ㄷ. (나)의 3d_xy 오비탈과 3d_yz에 채워진 전자수는 모두 두 개씩으로 같습니다. 사실 [ZnCl4]2-의 경우 Zn2+ 이온이 d^10의 꽉찬 전자배치를 갖기 때문에 d_xy, d_yz 뿐만 아니라 모든 d-오비탈에 채워진 전자 수는 모두 같습니다. (참)

* 본문의 설명에 잘못된 부분에 대해 말씀해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 kpeet.or.kr 한국약학교육협의회입니다.