[배위화학] 빈 오비탈만 알려주고 화합물의 특성을 찾는 문제 (2017학년도 18번 풀이)

문제

위와 같이 같은 전이금속을 중심 원소로 가지는 두 종류의 배위 화합물과 각각의 오비탈을 빈 형태로 알려줬을 때 각 화합물의 오비탈의 특성에 대해 묻는 문제를 해결해봅시다.

 

풀이

우선 문제에서 X2-가 두 자리 리간드라고 하였기 때문에 반드시 위와 같이 전이금속 M을 중심으로 4자리에서 결합하게 됩니다.

 

전이금속에서 전자가 있는 가장 높은 에너지 준위를 가지는 오비탈인 3d 오비탈들을 생각해보면, d(x^2-y^2) 오비탈의 에너지 준위가 가장 높을 것임을 예상해볼 수 있습니다. 왜냐하면 오비탈이 리간드와 가까이 위치할수록 에너지 준위가 높아지기 때문입니다.

 

같은 원리로 생각해보면 그 다음으로 높은 에너지 준위는 d(xy) 오비탈이며 나머지 오비탈 3종류는 리간드와 인접하지 않으므로 비슷한 에너지 준위를 가질 것을 예상해볼 수 있습니다.

 

따라서 문제에서 주어진 오비탈 에너지 준위 표에 각 오비탈 이름을 써넣으면 위와 같은 배치가 되며 보기 ㄱ에서는 d(z^2) 오비탈의 에너지 준위가 d(x^2-y^2) 오비탈의 에너지 준위보다 높다고 하였으므로 보기 ㄱ은 틀렸음을 알 수 있습니다.

 

그 다음 이 부분이 이 문제의 핵심이라고 할 수 있는데 두 화합물의 전하와 홀전자 수를 이용하여 전자 배치를 찾아야 합니다. 우선 (나)에서는 홀전자 수가 3이라고 하였으므로 M2+의 전자수는 3 또는 7임을 예상할 수 있습니다. 이 M은 (가)에서는 형식전하가 1 더 증가하였으므로 전자수는 2 또는 6입니다. 그런데 (가)의 전자배치에서 전자수가 2일 경우에는 홀전자 수가 0이 되지 않습니다.

 

따라서 위와 같이 M3+의 전자수가 6개임을 알 수 있습니다. 따라서 위와 같은 전자 배치를 가지게 되고 M2+인 (나)에서는 전자가 7개임을 알 수 있습니다.

 

그래서 이 정보를 이용하여 (나)에서 홀전자 수가 3개가 되게끔 전자 7개를 채워 넣으면 위와 같은 전자배치를 그릴 수 있습니다.

 

이제 전자배치를 알았으므로 보기 ㄴ을 풀어보면 3d(x^2-y^2)의 전자 개수를 비교하고 있는데 (나)에서의 전자가 더 많으므로 보기 ㄴ은 맞음을 알 수 있습니다.

 

마지막으로 (나)의 전자 배치가 강한장인지 약한장인지 묻고 있는데 홀전자 수가 최대한 많게 배치되었으므로 약한장입니다. 만약 강한장이라면 위와 같은 전자배치를 가져야 합니다. 따라서 보기 ㄷ은 틀렸습니다.

 

맞는 보기는 오직 ㄴ뿐이고 따라서 정답은 2번임을 알 수 있습니다.