여덟 전자 규칙

분자 내 원자가 최외각에 전자를 8개를 채우고 싶어하는 성질을 나타내는 규칙

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여덟 전자 규칙은 화학에서 사용되는 경험적인 방법으로, 주족 원소들이 화합물을 이루기 위해 결합할 때 최외각 전짜 껍질에 8개의 전자를 모두 채우는 방향을 선호한다는 관찰을 바탕으로 제안되었다. 즉 어떤 원자는 다른 원자와 결합할 때 최외각에 전자를 6개 가지고 있었으면 2개의 전자를 더 받아서 8개를 만족시키고자 하며, 최외각에 전자를 1개만 가지고 있는 원자는 7개를 얻기 보다 1개를 잃어서 가장 바깥에 껍질을 탈피하는 경향을 보이는 것을 설명한다. 일반적으로 여덟 전자 규칙은 탄소, 질소, 산소, 할로젠 등의 주족 원소와 알칼리 금속 및 알칼리 토금속에서 주로 사용된다. 또한, 주위에 전자를 점으로 표시하고 한 쌍의 전자로 한 방향씩, 총 네 방향에 8개의 전자까지 표기 가능한 루이스 구조 표시 방법과 함께 사용하여 분자의 결합 상태를 간단히 표기할 수 있는 규칙이다. 가령 이산화 탄소의 구조를 살펴보면, 탄소는 네 개의 최외각 전자를 기본 상태로 가지고 있기 때문에 여덟 전자 규칙을 만족시키기 위하여 외부로부터 네 개의 전자를 추가로 받아야 한다. 산소 입장에서 보면, 산소는 최외각에 여섯 개의 전자를 기본 상태로 가지고 있기 때문에 추가로 두 개의 전자를 받아야 여덟 전자 규칙을 따르게 된다. 따라서 이 경우 탄소는 두 개의 산소와 동시에 두 개씩 전자를 공유하는 상태를 이루게 되고, 탄소와 산소 모두 공유된 전자까지 포함하여 여덟 개의 전자를 최외각 껍질을 가지고 있는 상태를 만족하게 된다.

여덟 전자 규칙을 나타내는 이산화 탄소 분자 구조

이산화 탄소의 여덟 전자 규칙 설명: 검정색은 탄소, 빨간색의 산소의 전자를 의미하며, 검정색 상자는 탄소 기준의 여덟 개의 전자, 빨간색 상자는 산소 기준의 여덟 개의 전자를 나타낸다.

1893년 스위스의 화학자 베르너(Alfred Werner, 1866-1919)는 화합물 내에 가운데에 위치한 중심 원자를 기점으로 해서 주위에 결합한 원자의 수를 배위수(coordination number)라고 불렀으며, 이 수는 보통 4 또는 6이 되었고, 간혹 8을 가질 수 있었다. 이후 1904년 독일의 화학자 아베크(Richard Abegg, 1869-1910)는 각 원소의 원자가를 주기율표 기반으로 해석하여, 정상 원자가(valence, 양성의 원소가 양전하, 음성의 원소가 음전하를 가진 경우의 원자가)와 역원자가(countervalence)의 개념을 제시하였다. 아베크의 규칙은 이 정상 원자가와 역원자가의 절대값을 합치면 주기율표 내 어느 경우에도 8이 된다는 사실을 정리하였다. 그러나 아베크 당시에는 최외각 전자의 개념이 없어서 8의 의미를 설명하지 못하였다. 1913년에 보어의 모델이 나오고 에너지 준위의 개념이 등장하면서 예컨대 산소에서 2개의 전자는 안쪽 껍질에, 6개의 전자는 최외각에 들어간다는 생각이 자리잡았다. 1916년 미국의 화학자 루이스(Gilbert N. Lewis, 1875-1946)는 아베크의 규칙에서 영감을 얻어, 여덟의 규칙(the rule of eight)을 발표하였으며, 이때 핵심은 원자가와 원자가 전자에 대한 구별이다. 이후, 1919년 미국의 화학자 랭뮈어(Irving Langmuir, 1881-1957)는 관련 내용들을 종합하여 여덟 전자 규칙(the octet rule)을 정리하였다. 루이스는 rule of eight 식의 표현을 사용했는데 랭뮈어는 octet rule, covalent bond 등 명확한 표현을 도입하여 오늘날까지 널리 사용된다. 수소, 헬륨, 리튬 등에서는 8보다 2가 중요하지만, 화학에서 많이 등장하는 2주기와 3주기 원소에서는 8이 중요하기 때문에 일반적으로 octet rule이라고 한다.

여덟 전자 규칙은 몇 가지 예외 조항을 가지는데, 우선 불완전한 원자가 전자를 가지는 경우가 있다. 특히, NO 분자의 질소 원자 처럼 7개 등의 홀수 개의 전자를 갖게 되는 경우 라디칼(radical)을 형성하거나 6개의 최외각 전자를 갖는 경우(예: BH₃)가 알려져 있다. 또한, 헬륨처럼 1s 오비탈에 두 개의 전자만 가진 상태에서 매우 안정한 경우도 있고 (duet rule), d 오비탈이 관여하는 전이 금속(transition metal)의 경우 18-전자 규칙이 알려져 있으며, 최근 12개의 전자로 설명하는 duodectet rule이 보고되었다.¹⁾

여덟 전자 규칙의 예외를 보이는 NO 분자, 질소가 7개의 전자를 가지고 있다.

1. ' Brown TL, LeMay, JR HE, Bursten, BE, Murphy CJ, Woodward PM. 2012. Chemistry Central Science. 12nd edn. Illinois: Pearson.