HSC 화학을 위한 이온 및 공유 결합 화합물의 명명법과 원자가

철(III) 산화물의 화학식을 쓰라는 문제가 나왔다고 해 보자. \(\ce{FeO}\), \(\ce{Fe2O3}\), \(\ce{Fe3O2}\) 중 어느 것이 맞아 보이는가?

\(\ce{Fe3O2}\)를 고르고 싶을 수 있다. 이름에 “III”이 들어 있고, 산화물의 원자가가 2이기 때문이다. 하지만 로마 숫자는 철 원자를 몇 개 써야 하는지를 나타내는 것이 아니다. 철의 산화 상태를 나타낸다. 그런 다음 양전하와 음전하가 서로 상쇄되도록 화학식을 구성해야 한다.

그러면 \(\ce{Fe2O3}\)가 된다.

이것이 화학 명명법의 핵심 개념이다. 이름과 화학식은 서로 다른 종류의 정보를 담고 있으며, 어떤 정보가 아래첨자를 결정하는지 알아야 한다.

01혼동하기 쉬운 세 가지 개념

화합물의 이름을 붙이기 전에 원자가, 이온 전하, 산화 상태라는 서로 관련된 세 가지 개념을 구분해 보자.

HSC 수준에서는 원자가를 화학식 작성의 간편한 방법으로 활용할 수 있으며, 특히 익숙한 단원자 이온에서 유용하다. 마그네슘은 보통 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)를 형성하므로 원자가가 2라고 흔히 말한다. 염소는 보통 \(\mathrm{Cl}^{-}\)를 형성하므로 원자가는 1이다.

하지만 원자가와 산화 상태는 정확히 같은 개념이 아니다.

원자가는 보통 부호 없는 정수로 나타낸다. 산화 상태는 부호를 가지며 화합물에 따라 달라진다. 한 원소가 여러 산화 상태를 가질 수도 있다.

예를 들어 철은 흔히 \(\mathrm{Fe}^{2+}\)와 \(\mathrm{Fe}^{3+}\) 모두로 존재한다. 그래서 **염화 철(II)**과 염화 철(III) 같은 이름에는 로마 숫자가 필요하다.

02이온 화합물의 화학식은 전하에 의해 결정된다

이온 화합물을 아주 엄격한 만찬이라고 생각해 보자. 자리에 앉기 전에 모든 양전하는 같은 크기의 음전하로 반드시 상쇄되어야 한다.

\(\mathrm{Na}^{+}\) 하나와 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 하나는 정확히 균형을 이룬다.

\[ (+1)+(-1)=0 \]

따라서 염화 나트륨은 \(\ce{NaCl}\)이다.

이번에는 마그네슘과 염화 이온을 생각해 보자. \(\mathrm{Mg}^{2+}\) 하나는 양전하 2단위를 가지지만, 각각의 \(\mathrm{Cl}^{-}\)는 음전하 1단위만 제공한다.

따라서 염화 이온이 두 개 필요하다.

\[ (+2)+2(-1)=0 \]

그러므로 화학식은 \(\ce{MgCl2}\)이다.

만찬의 비유는 어디까지나 비유일 뿐이다. 이온 고체는 작은 \(\ce{MgCl2}\) 분자들이 각각 따로 짝을 이루어 존재하는 것이 아니다. 거대한 3차원 격자를 형성한다. 화학식 \(\ce{MgCl2}\)는 이온의 가장 간단한 정수비를 나타낸다.

알아 두면 좋은 흔한 이온 전하

매번 모든 흔한 이온의 전하를 처음부터 유도할 필요는 없다.

황산 이온이나 질산 이온과 같은 다원자 이온은 이온 화합물의 화학식을 만들 때 하나의 전하를 띤 단위처럼 행동한다.

이온비는 항상 가장 간단한 비로 줄인다

산화 칼슘은 어떨까?

칼슘은 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)이고, 산화물 이온은 \(\mathrm{O}^{2-}\)이다. 2들을 기계적으로 엇갈려 쓰면 \(\ce{Ca2O2}\)가 나올 수 있다.

하지만 칼슘 이온 하나는 이미 산화물 이온 하나와 균형을 이룬다.

\[ (+2)+(-2)=0 \]

따라서 가장 간단한 비는 \(1:1\)이고, 화학식은 다음과 같다.

\[ \ce{CaO} \]

이온 화합물의 화학식은 가장 작은 정수비를 사용한다.

03다원자 이온은 하나의 단위로 유지한다

이번에는 질산 칼슘을 생각해 보자.

칼슘은 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)이고, 질산 이온은 \(\ce{NO3^-}\)이다. 질산 이온 두 개가 필요하다.

\[ (+2)+2(-1)=0 \]

화학식은 다음과 같다.

\[ \ce{Ca(NO3)2} \]

괄호는 중요하다. 아래첨자 2는 질산 이온 전체에 적용된다.

괄호가 없다면 \(\ce{CaNO3_2}\)는 구조를 올바르게 나타내지 못한다.

여기에는 또 하나의 중요한 규칙이 숨어 있다. 전하를 맞출 때 다원자 이온 내부의 아래첨자를 바꾸면 안 된다. 질산 이온은 \(\ce{NO3^-}\)이다. 계산을 편하게 만들기 위해 질소와 산소의 배열을 임의로 바꿔 새로운 형태로 만들 수는 없다.

04이온 화합물 이름 붙이기

화학식을 쓰는 것은 한 방향의 문제다. HSC 문제에서는 반대로 화학식을 주고 이름을 쓰라고 할 수도 있다.

기본 규칙은 다음과 같다.

1. 양이온의 이름을 먼저 쓴다.
2. 음이온의 이름을 두 번째로 쓴다.
3. 단원자 음이온은 영어 명명에서 어미를 -ide로 바꾼다.
4. 다원자 이온은 정해진 이름을 그대로 사용한다.
5. 금속이 여러 산화 상태를 가질 수 있다면 로마 숫자로 산화 상태를 나타낸다.

예를 들면 다음과 같다.

여기서 사용되지 않는 것에 주목하자. di-, tri-, tetra- 같은 접두사는 없다.

표준 이온 명명법에서는 \(\ce{MgCl2}\)를 “magnesium dichloride”라고 부르지 않는다. \(1:2\)의 비는 전하 균형에 따라 결정되므로 접두사가 필요하지 않다.

05화학식에서 금속의 산화 상태 찾기

\(\ce{Cu2O}\)가 주어졌다고 해 보자.

구리는 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있으므로 단순히 “산화 구리”라고만 하면 유용한 정보가 빠진다.

로마 숫자는 어떻게 찾을 수 있을까?

산화물에서 산소의 산화 상태는 \(-2\)이다. 화합물은 중성이므로 산화 상태의 합은 0이 되어야 한다.

각 구리 원자의 산화 상태를 \(x\)라고 하자.

\[ 2x+(-2)=0 \]

따라서:

\[ 2x=+2 \]

그리고:

\[ x=+1 \]

그러므로 \(\ce{Cu2O}\)는 **산화 구리(I)**이다.

06산화 상태는 이온 전체의 전하와 같지 않다

이 구분은 다원자 이온에서 특히 중요하다.

황산 이온 \(\ce{SO4^2-}\)를 생각해 보자.

황산 이온 전체의 전하는 \(-2\)이다. 그렇다고 황의 산화 상태가 \(-2\)라는 뜻은 아니다.

산소의 산화 상태는 보통 \(-2\)이다. 따라서 산소 원자 네 개의 합은:

\[ 4(-2)=-8 \]

이온 안의 산화 상태를 모두 더하면 이온의 전체 전하인 \(-2\)가 되어야 한다.

황의 산화 상태를 \(x\)라고 하자.

\[ x-8=-2 \]

따라서:

\[ x=+6 \]

그러므로 황산 이온 전체의 전하가 \(-2\)이더라도, 그 안에서 황의 산화 상태는 \(+6\)이다.

이 때문에 “전하”와 “산화 상태”를 서로 바꾸어 쓸 수 있는 말처럼 사용해서는 안 된다.

다음과 같은 간단한 산화 상태 규칙을 알아 두면 많은 문제를 해결할 수 있다.

• 홑원소 물질에서 원소의 산화 상태는 \(0\)이다
• 단원자 이온의 산화 상태는 그 이온의 전하와 같다
• 중성 화합물에서 산화 상태의 합은 \(0\)이다
• 다원자 이온에서 산화 상태의 합은 이온 전체의 전하와 같다
• 산소는 보통 \(-2\)이다
• 수소는 보통 \(+1\)이다

여기서 보통이라는 말이 중요하다. 화학에는 예외가 있으며, 산화와 환원이 과정의 더 큰 부분을 차지하게 되면 그중 일부를 배우게 된다.

07공유 결합 화합물의 명명법은 다른 체계를 사용한다

이번에는 \(\ce{N2O4}\)를 생각해 보자.

이것을 이온 화합물처럼 다루려고 하면 곧바로 문제가 생긴다. 음이온과 전하를 맞춰야 하는 금속 양이온이 없기 때문이다.

단순한 이원 공유 결합 화합물에서는 이름이 대신 화학식에 나타나는 원자의 개수를 알려 준다.

\(\ce{N2O4}\)의 이름을 예상해 보자. “질소 산화물”만으로 충분할까?

아니다. 질소와 산소를 포함하는 화합물이 여러 가지이므로 원자 수가 중요하다. 이 정보는 접두사가 전달한다.

이원 공유 결합 화합물의 경우:

• 첫 번째 원소의 이름을 쓴다
• 첫 번째 원소의 원자가 둘 이상이면 수를 나타내는 접두사를 사용한다
• 두 번째 원소는 영어 이름에서 -ide 어미가 붙도록 이름을 쓴다
• 두 번째 원소의 원자 수를 나타내는 접두사를 사용하며, 원자가 하나라면 mono-도 사용한다

첫 번째 원소에서는 보통 mono- 접두사를 생략한다.

어떤 이름에서는 서로 인접한 모음이 축약된다. 예를 들어 mono + oxide는 “monooxide”가 아니라 monoxide가 되고, tetra + oxide는 tetroxide가 된다.

08이온성인가 공유 결합성인가? 명명 규칙을 사용하기 전에 판단하라

많은 명명법 오류는 학생이 규칙 자체는 기억하지만 잘못된 종류의 화합물에 적용하기 때문에 발생한다.

먼저 어떤 원소와 이온으로 구성되어 있는지를 단서로 사용하자.

예를 들면:

• \(\ce{CaCl2}\): 칼슘은 금속이므로 이온 명명법을 사용한다 -> 염화 칼슘
• \(\ce{NCl3}\): 질소와 염소는 비금속이므로 접두사를 사용한다 -> 삼염화 질소
• \(\ce{CuSO4}\): 구리와 황산 이온의 조합은 이온 화합물이다 -> 구리의 산화 상태를 구하면 **황산 구리(II)**가 된다

이 규칙은 여기서 다루는 일반적인 무기 화합물에 의도적으로 초점을 맞춘 것이다. 산, 수화물, 유기 화합물, 그리고 더 고급 수준의 배위 화합물에는 추가적인 명명 규칙이 필요하다.

09“엇갈려 쓰기”를 외우는 것보다 나은 방법

엇갈려 쓰기 방법은 유용할 수 있지만, 생각하는 과정을 대신하게 되면 위험해진다.

예를 들어 황산 알루미늄의 화학식을 써야 한다고 하자.

다음을 알고 있다.

\[ \mathrm{Al}^{3+} \]

그리고:

\[ \ce{SO4^2-} \]

전하의 크기를 엇갈려 쓰면 다음과 같은 화학식을 얻는다.

\[ \ce{Al2(SO4)3} \]

이 경우에는 실제로 맞다.

하지만 더 탄탄한 추론은 다음과 같다.

\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]

이 식은 알루미늄 이온이 두 개이고 황산 이온이 세 개인 이유를 보여 준다. 또한 황산 이온은 하나의 온전한 이온이므로 괄호가 필요하다는 점도 알려 준다.

대신 다음과 같은 판단 과정을 사용하자.

이온 화합물의 이름에서 화학식으로

1. 양이온과 음이온을 확인한다.
2. 각각의 전하를 쓴다.
3. 전체 전하가 0이 되게 하는 가장 작은 개수를 찾는다.
4. 다원자 이온이 둘 이상 필요하면 괄호를 사용한다.
5. 비를 더 이상 약분할 수 없는지 확인한다.

이온 화합물의 화학식에서 이름으로

1. 양이온과 음이온을 확인한다.
2. 금속이 여러 산화 상태를 가질 수 있는지 판단한다.
3. 그렇다면 전하 균형을 이용해 그 산화 상태를 계산한다.
4. 산화 상태를 로마 숫자로 쓴다.
5. 음이온의 이름을 올바르게 쓴다.

공유 결합 화합물의 이름에서 화학식으로

1. 각 원소를 확인한다.
2. 각 접두사를 직접 아래첨자로 바꾼다.
3. 전하 균형을 이용해 화학식을 만들지 않는다.

공유 결합 화합물의 화학식에서 이름으로

1. 각 종류의 원자 수를 센다.
2. 그 수를 접두사로 바꾼다.
3. 첫 번째 원소에서는 mono-를 생략한다.
4. 두 번째 원소의 영어 이름에는 -ide 어미를 붙인다.

10가장 빠지기 쉬운 실수

실수 1: 로마 숫자를 아래첨자로 해석하기

염화 철(III)은 \(\ce{Fe3Cl}\)이 아니다.

III은 철의 산화 상태가 \(+3\)이라는 뜻이다.

\[ \mathrm{Fe}^{3+} \]

각 염화 이온은 \(\mathrm{Cl}^{-}\)이므로 염화 이온 세 개가 필요하다.

\[ \ce{FeCl3} \]

실수 2: 이온 화합물에 공유 결합 접두사를 사용하기

\(\ce{CaCl2}\)는 염화 칼슘이지 calcium dichloride가 아니다.

아래첨자 2는 이미 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)와 \(\mathrm{Cl}^{-}\)의 전하에 의해 결정된다.

실수 3: 아래첨자가 산화 상태와 같다고 생각하기

\(\ce{Fe2O3}\)에서 철의 아래첨자가 2라고 해서 철의 산화 상태가 \(+2\)인 것은 아니다.

산화 상태가 \(-2\)인 산소 원자 세 개는 총 \(-6\)을 제공한다. 따라서 철 원자 두 개가 함께 \(+6\)을 제공해야 하므로 각 철의 산화 상태는 \(+3\)이다.

이 화합물은 산화 철(III)이다.

실수 4: 이온비를 가장 간단한 비로 줄이지 않기

\(\mathrm{Ca}^{2+}\)와 \(\mathrm{O}^{2-}\)에 기계적으로 엇갈려 쓰기 방법을 적용하면 \(\ce{Ca2O2}\)가 나올 수 있다.

올바른 가장 간단한 비는 다음과 같다.

\[ \ce{CaO} \]

실수 5: 다원자 이온의 내부를 바꾸기

황산 이온은 \(\ce{SO4^2-}\)이다. 황산 이온이 세 개 필요하다면 다음과 같이 쓴다.

\[ \ce{(SO4)3} \]

\(\ce{SO4}\) 단위 자체를 바꾸면 안 된다.

11문제와 풀이

문제 1

화합물 \(\ce{K2S}\)의 이름을 쓰시오. 이름에 수를 나타내는 접두사가 필요하지 않은 이유를 설명하시오.

풀이 1

이 화합물은 황화 칼륨이다.

칼륨은 1족 금속이며 \(\mathrm{K}^{+}\)를 형성한다. 황은 황화물 이온 \(\mathrm{S}^{2-}\)을 형성한다. 따라서 황화물 이온 하나의 전하를 맞추려면 칼륨 이온 두 개가 필요하다.

\[ 2(+1)+(-2)=0 \]

이 화합물은 이온 화합물이므로 \(2:1\)의 비는 전하 균형에 의해 결정된다. 표준 이온 화합물 이름에서는 di-와 같은 수 접두사를 사용하지 않는다.

문제 2

질화 마그네슘의 화학식을 쓰시오.

풀이 2

화학식은 \(\ce{Mg3N2}\)이다.

마그네슘은 \(\mathrm{Mg}^{2+}\)를 형성하고, 질화물 이온은 \(\mathrm{N}^{3-}\)이다. 가장 작은 공통 총전하는 6이다.

\[ 3(+2)=+6 \]

그리고:

\[ 2(-3)=-6 \]

따라서 마그네슘 이온 세 개가 질화물 이온 두 개와 균형을 이룬다.

\[ \ce{Mg3N2} \]

\(3:2\)의 비는 이미 가장 작은 정수비이다.

문제 3

황산 알루미늄의 화학식을 쓰시오.

풀이 3

화학식은 \(\ce{Al2(SO4)3}\)이다.

알루미늄은 \(\mathrm{Al}^{3+}\)를 형성하고, 황산 이온은 \(\ce{SO4^2-}\)이다. 알루미늄 이온 두 개는 \(+6\)을 제공하고, 황산 이온 세 개는 \(-6\)을 제공한다.

\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]

따라서:

\[ \ce{Al2(SO4)3} \]

화학식에 완전한 황산 이온이 세 개 들어 있으므로 괄호가 필요하다. 전하를 맞추는 과정에서 내부 화학식 \(\ce{SO4}\)를 바꾸면 안 된다.

문제 4

망가니즈가 서로 다른 산화 상태의 이온을 형성할 수 있다고 할 때, \(\ce{MnO2}\)의 이름을 쓰시오.

풀이 4

이 화합물은 **산화 망가니즈(IV)**이다.

각 산소의 산화 상태는 \(-2\)이다. 따라서 산소 원자 두 개는 다음을 제공한다.

\[ 2(-2)=-4 \]

화합물은 중성이므로 망가니즈가 \(+4\)를 제공해야 한다.

\[ x-4=0 \]

\[ x=+4 \]

로마 숫자 IV는 이 산화 상태를 나타낸다. 아래첨자 2는 산소에 해당하며, 망가니즈의 산화 상태가 \(+2\)라는 뜻이 아니다.

문제 5

\(\ce{N2O3}\)의 체계적인 이원 공유 결합 화합물 이름을 쓰고, 이 화합물에서 질소의 산화 상태를 구하시오.

풀이 5

이름은 dinitrogen trioxide이고, 질소의 산화 상태는 \(+3\)이다.

이름을 붙이는 과정과 산화 상태를 계산하는 과정은 서로 별개의 작업이다.

이름을 붙일 때 질소 원자 두 개는 접두사 di-를, 산소 원자 세 개는 tri-와 oxide를 사용한다.

dinitrogen trioxide

산화 상태를 구할 때 산소는 보통 \(-2\)이다. 산소 원자 세 개의 합은:

\[ 3(-2)=-6 \]

각 질소 원자의 산화 상태를 \(x\)라고 하자. 화합물이 중성이므로:

\[ 2x-6=0 \]

\[ 2x=6 \]

\[ x=+3 \]

중요한 차이는 접두사 **di-**가 질소 원자의 개수를 나타내는 반면, 산화 상태 \(+3\)은 각 질소 원자에 부여된 전자 계산상의 상태를 나타낸다는 점이다.

문제 6

한 학생이 산화 칼슘에 엇갈려 쓰기 방법을 사용해 \(\ce{Ca2O2}\)라고 썼다. 이 학생은 전하를 올바르게 옮겨 썼으므로 화학식도 반드시 맞다고 주장한다. 이 주장을 평가하고 올바른 화학식을 쓰시오.

풀이 6

올바른 화학식은 \(\ce{CaO}\)이므로 학생의 주장은 불완전하다.

칼슘은 \(\mathrm{Ca}^{2+}\)를 형성하고, 산화물 이온은 \(\mathrm{O}^{2-}\)이다. 각각 하나씩만 있어도 이미 중성 조합이 된다.

\[ (+2)+(-2)=0 \]

따라서 비는 \(1:1\)이다.

전하의 크기를 기계적으로 엇갈려 쓰면 일시적으로 \(2:2\)의 비가 나올 수 있지만, 이온 화합물의 화학식은 가장 간단한 정수비로 줄여야 한다.

\[ \ce{Ca2O2} \rightarrow \ce{CaO} \]

문제는 엇갈려 쓰기를 최종 화학식을 만들어 내는 규칙으로 취급하는 데 있다. 실제 규칙은 전하 중성과 가장 간단한 비이다.

문제 7

금속 \(X\)는 \(X^{2+}\) 또는 \(X^{3+}\)를 형성할 수 있다. 이 금속의 한 화합물의 화학식은 \(\ce{X2O3}\)이다.

한 학생은 화학식에서 \(X\) 뒤에 아래첨자 2가 있으므로 \(X\)의 산화 상태가 \(+2\)여야 한다고 주장한다. \(X\)의 산화 상태를 구하고, 학생의 추론에서 잘못된 점을 설명하시오.

풀이 7

\(X\)의 산화 상태는 \(+3\)이다.

각 산소의 산화 상태는 \(-2\)이다. 따라서 산소 원자 세 개의 합은:

\[ 3(-2)=-6 \]

각 \(X\) 원자의 산화 상태를 \(x\)라고 하면, 중성 화합물은 다음을 만족해야 한다.

\[ 2x-6=0 \]

따라서:

\[ 2x=6 \]

\[ x=+3 \]

아래첨자 2는 화학식 단위에 \(X\) 원자가 두 개 있다는 뜻이다. 이 숫자가 산화 상태를 나타내는 것은 아니다. 실제로 두 \(X\) 원자가 합쳐서 \(+6\)을 제공해야 하므로 각각의 산화 상태는 \(+3\)이어야 한다.

바로 이런 이유 때문에 산화 상태는 근처의 아래첨자를 보고 추측하는 것이 아니라 전체 화학식을 이용해 계산해야 한다.

문제 8

한 용기에 인산 크로뮴이라고만 표시되어 있다. 크로뮴은 \(+2\)와 \(+3\)의 산화 상태를 가질 수 있고, 인산 이온은 \(\ce{PO4^3-}\)이다.

이 표기가 하나의 화학식을 유일하게 지정하지 못하는 이유를 설명하시오. 크로뮴(II)일 때의 화학식과 크로뮴(III)일 때의 화학식을 각각 쓰시오.

풀이 8

이 표기는 크로뮴이 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있으므로 모호하다. 어떤 크로뮴 이온이 존재하는지 나타내기 위해 로마 숫자가 필요하다.

크로뮴(II)의 경우 이온은 \(\mathrm{Cr}^{2+}\)이고, 인산 이온은 \(\ce{PO4^3-}\)이다. 가장 작은 공통 총전하는 6이다.

\[ 3(+2)+2(-3)=0 \]

따라서 인산 크로뮴(II)은:

\[ \ce{Cr3(PO4)2} \]

크로뮴(III)의 경우에는 전하의 크기가 같다.

\[ (+3)+(-3)=0 \]

따라서 비는 \(1:1\)이다.

\[ \ce{CrPO4} \]

그러므로 두 가능한 화합물은 서로 다른 화학식을 가진다.

• 인산 크로뮴(II): \(\ce{Cr3(PO4)2}\)
• 인산 크로뮴(III): \(\ce{CrPO4}\)

빠진 로마 숫자는 사소한 명명상의 세부 사항이 아니다. 그것이 없으면 산화 상태, 이온의 비, 화학식을 유일하게 결정할 수 없다.

12다음 단계에서 할 수 있는 것

이름을 외워야 할 문자열처럼 취급하지 않으면 명명법은 훨씬 쉬워진다. 이온 화합물의 화학식은 전하 균형을 나타내는 표현이다. 공유 결합 화합물의 접두사는 원자 수를 알려 주는 지시이다. 로마 숫자는 산화 상태를 나타낸다.

이러한 개념들은 화학의 다른 부분에서도 거의 곧바로 다시 등장한다. 올바른 화학식을 알면 화학 반응식을 맞추고 몰 질량을 계산할 수 있으며, 산화 상태는 산화·환원 반응에서 전자의 이동을 추적하는 방법이 된다. \(\ce{Fe2O3}\)를 보고 철이 왜 \(+3\)인지 설명할 수 있다면, 단순히 화합물 이름을 외우는 것을 넘어 이미 산화와 환원에 필요한 추론을 시작한 것이다.