배위 화학
배위 화합물은 중심 금속 원자 또는 이온 주위를 전자 밀도를 제공하는 리간드가 둘러싼 계입니다. 성질은 금속의 종류, 산화 상태, 리간드 집합, 중심 주위의 3차원 배열에 함께 좌우됩니다.
금속 중심, 리간드, 배위수
리간드는 하나 이상의 주개 원자를 통해 금속에 결합합니다. 한자리 리간드는 한 주개 자리로, 킬레이트 리간드는 여러 자리로 결합합니다. 배위수는 리간드 분자 수가 아니라 금속에 직접 붙은 주개 원자 수입니다. [Co(NH₃)₆]³⁺에서는 N 주개 원자가 6개라 배위수 6입니다. 기하는 단순한 모양이 아니라 오비탈 분할을 바꾸어 색, 자기성, 반응성에 영향을 줍니다.
[Co(NH3)6]3+ → CN = 6
산화수는 형식적인 회계 도구
금속의 형식 산화수는 리간드 전하와 착이온 전체 전하를 맞춰 구합니다. 전자 수를 정리하는 데 유용하지만 금속의 실제 부분 전하와 같다는 뜻은 아닙니다. [Fe(CN)₆]⁴⁻에서 6개의 CN⁻가 −6을 주고 전체가 −4이므로 Fe는 형식적으로 +2입니다. 리간드장은 금속 d 오비탈의 축퇴도 깨뜨립니다.
[Fe(CN)6]4−: 6×(−1) + x = −4 → Fe = +2
색과 자기성은 전자 구조에서 온다
가시광 에너지가 허용된 전자 전이에 맞으면 일부 파장이 흡수되어 남은 투과·반사광이 색으로 보입니다. 같은 금속 이온도 리간드, 기하, 산화 상태에 따라 색이 달라집니다. 홀전자가 있으면 상자성을 보이며, 전자가 낮은 오비탈에서 짝지을지 높은 오비탈을 채울지는 리간드장 분할과 짝지음 에너지의 경쟁으로 정해집니다.
이성질체와 킬레이트
같은 화학식의 착물도 연결 방식이나 공간 배열이 달라 이성질체가 될 수 있습니다. cis/trans와 광학 이성질은 물리적·생물학적 거동을 바꿀 수 있습니다. 여러자리 킬레이트 리간드는 여러 주개 자리가 같은 금속을 동시에 잡아 완전한 해리에 여러 접촉의 절단 또는 재배열이 필요하므로 특히 안정한 착물을 만들기 쉽습니다.
계산 예제
1. 코발트 산화수
풀이
[CoCl₄]²⁻에서 Cl⁻ 4개가 −4이므로 전체 −2가 되려면 Co는 +2입니다.
2. 두자리 리간드의 배위수
풀이
에틸렌디아민 3개가 각각 N 두 개로 결합하므로 [M(en)₃]의 배위수는 6입니다.
3. 홀전자 추론
풀이
착물이 자기장 기울기 쪽으로 끌리면 최소 한 개의 홀전자를 가지므로 상자성입니다.