착화합물

'착화합물(錯化合物, Complex Compound)은 배위화합물(coordination compound)의 한 종류로, 착이온과 상대이온으로 구성된다. 착이온은 금속 양이온에 리간드가 결합한 것이고, 상대이온은 배위화합물의 알짜전하를 0으로 만들기 위해 필요한 이온이다. 예를 들어 [Ni(NH₄)]4Cl₂에서 대괄호 안이 착이온, 대괄호 밖 두 개의 Cl-이 상대이온이다.

착화합물에서 특히 중심 금속 양이온이 전형 금속보다는 전이 금속인 경우에 더 관심의 대상이 되는데, 이는 전이 금속 이온을 중심 금속으로 하는 착화합물이 흔히 자기성을 가지고 있을 뿐만 아니라 특정 파장의 가시광선을 흡수하여 각각 독특한 색깔을 나타내며 산업적, 생물학적 역할도 하는 등 중요한 특징을 지니기 때문이다. 예를 들어 헤모글로빈은 철 이온(Fe²⁺ 또는 Fe³⁺)에 포르피린이라는 네 자리 리간드가 결합한 헴(heme) 착물을 포함한다.

개요

착화합물은 착이온을 포함하는 물질을 말한다. 전이금속이 중심 원자인 착화합물은 특유의 색을 가지며, 촉매로 사용되는 것이 흔하다. 중심금속이 2개 또는 그 이상의 여러자리의 배위가 가능한 리간드와 배위(配位)결합하여 생긴, 고리모양의 구조를 가진 착화합물을 킬레이트라 한다.

착화합물은 중심 금속 이온에 리간드가 결합하여 이룬 착이온이 반드시 있는데, 전형금속 원소나 전이금속 원소나 모두 착이온을 만들 수 있다. 착화합물 중 관심의 대상이 되는 것은 전형금속 원소의 화합물보다는 전이금속 원소가 만든 착화합물이다. 전이금속 원소가 만든 착화합물은 제각기 독특한 색을 나타낼 뿐만 아니라 흔히 자성이 있으며, 촉매나 체내의 중금속을 제거하기 위해 사용하는 등 매우 요긴하게 이용되기 때문이다.

착화합물의 이름은 다음과 같이 붙인다.

1. 염인 경우, 음이온의 이름 뒤에 양이온의 이름을 붙인다.

2. 착이온은 화학식에 표시된 순서로 리간드의 이름을 적은 다음, 중심 금속의 이름을 붙여 나타낸다.

3. 착이온이 음이온인 경우에는 어미 '∼산'을 붙인 다음 그 착이온에 결합된 양이온의 이름을 붙여 나타낸다.

예를 들면,'[Co(H₂O)₂(NH₃)₄]Cl₆'의 경우 이 이름은 '염화테트라암민다이아콰코발트(Ⅲ)'와 같다.

착화합물을 이루고 있는 착이온이 전이금속인 경우 독특한 색을 나타내는데 이것은 그 이온이 흡수하는 빛의 파장이 가시광선 영역이기 때문이다. 그리고 흡수하는 빛의 파장은 중심 금속이 같을지라도 리간드에 따라 달라진다.

착화합물 중 킬레이트는, 중심 금속 이온과 두 개 이상의 결합을 할 수 있는 리간드가 결합된 착이온이 있는 물질을 말한다. 예를 들면, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA)은 분자 한 개가 중심 금속과 6개의 배위결합을 할 수 있는데, 이 EDTA가 만든 착이온이 있는 물질이 바로 킬레이트이다.

EDTA는 대부분의 금속과 안정한 착이온을 형성한다. 그래서 EDTA는 보일러수 속에 들어 있는 금속 이온을 제거하기 위해 첨가하기도 하고, 액체 비누 속에 넣어 두면 세균의 생장에 필수적인 칼슘 이온이나 마그네슘 이온과 결합하여 착이온을 만들어 세균이 이용할 수 없게 만들기 때문에 미생물의 생장이 억제된다. 또, 사람이 중금속에 오염되었을 경우 EDTA를 체내에 주입하면 몸 속의 중금속과 착이온을 형성한 후 몸 밖으로 배출되기 때문에 이 목적으로 사용하기도 한다.

구조와 종류

착화합물의 구조는 중심 금속의 배위수와 리간드의 종류에 따라 다양하게 나타난다.

(1) 중심 금속

중심 금속은 주로 전이금속이지만, 희토류 금속이나 일부 주기율표 후반부의 금속도 착화합물을 형성할 수 있다. 중심 금속의 산화 상태와 전자 배치는 착화합물의 성질과 반응성에 큰 영향을 미친다.

(2) 리간드

중심 금속 이온에 전자쌍을 제공하여 배위 결합을 형성하는 물질로, 중성분자 또는 음이온이다. 배위자라고도 한다. 하나의 중심 금속 이온과 몇 개의 결합을 형성하느냐에 따라 리간드의 자리 수가 결정된다. 결합을 한 개 형성하면 한 자리(monodentate), 두 개면 두 자리(bidentate), 그 이상이면 여러 자리(polydentate) 리간드라 한다. 특히 두 자리 이상 리간드를 킬레이트(chelate)라 부른다.

리간드의 예시는 아래 차조

• 한 자리 : H₂O, CN⁻, SCN⁻, X⁻(halogen), NH₃, OH⁻
• 두 자리 : en, ox²⁻, bipy, o-phen, gly
• 여러 자리 : dien, trien, EDTA⁴⁻

(3) 배위수

착이온 내에서 금속 양이온과 리간드가 이루고 있는 배위 결합의 수를 말한다. 예를 들어 [Rh(NH₃)₄(en)]Cl₃에서 배위수는 6, Pt(NH₃)₂Br₂에서 배위수는 4이다.

배위수는 금속 이온의 크기, 전하, 전자 배치에 따라 두 개에서 여덟 개까지 다양한데, 6배위가 가장 흔하고 그 다음이 4배위, 2배위 순이다. 6배위 착물은 팔면체 구조, 4배위 착물은 사면체나 사각평면 구조, 2배위 착물은 선형 구조를 형성한다.

물리적·화학적 성질

착화합물은 다양한 물리적 및 화학적 성질을 가진다.

(1) 전자적 성질

착화합물은 중심 금속과 리간드 사이의 전자 이동에 의해 다양한 전자적 성질을 나타낸다. 이는 착색, 자기적 성질, 그리고 반응성에 영향을 준다.

(2) 광학적 성질

많은 착화합물은 특유의 색을 가지며, 이는 리간드 필드 이론으로 설명할 수 있다. 리간드 필드 이론에 따르면, 리간드의 배위에 의해 중심 금속의 d 오비탈의 에너지 차이가 발생하여 특정 파장의 빛을 흡수하게 된다.

주요 응용 분야

착화합물은 다양한 산업과 연구 분야에서 중요한 역할을 한다.

(1) 촉매

많은 촉매는 착화합물 형태로 사용되며, 이는 화학 반응의 선택성과 효율성을 크게 향상시킵니다. 예를 들어, Vaska의 촉매 및 Wilkinson 촉매는 수소화 반응에 널리 사용된다.

(2) 생물학

철-포르피린 착화합물인 헴(Heme)은 혈액의 산소 운반 역할을 하며, 코발트 착화합물은 비타민 B12의 중요한 구성 요소이다.

(3) 의약품

착화합물은 항암제, 항바이러스제 등 다양한 의약품의 활성 성분으로 사용됩니다. 예를 들어, 시스플라틴(Cisplatin)은 암 치료에 사용되는 중요한 항암제이다.

(4) 염료 및 안료 착화합물은 특정 파장의 빛을 흡수하여 강렬한 색을 나타내므로 염료 및 안료로 널리 사용된다.

리간드 필드 이론과 착화합물의 색

리간드 필드 이론은 착화합물의 색과 자기적 성질을 설명하는 이론입니다. 중심 금속의 d 오비탈에 대한 리간드의 전자 기부는 오비탈의 에너지를 분리하여 특정 파장의 빛을 흡수하게 만든다. 이로 인해 착화합물은 고유의 색을 가지게 된다.

참고자료

• 착화합물〉, 《두산백과》
• 배위 결합〉, 《나무위키》

같이 보기

• 배위화합물
• 착이온
• 촉매

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