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유석 최
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결합과물질의성질 왜소금이나다른이온성물질은단단하면서깨어지기쉽고, 녹는점이매우높은고체이면서용융되었을때나물에용해되었을때만전기를통하는가?

전기를잘통하지않는가? 반면다이아몬드와몇가지다른예외적인경우는녹는점도높고극단적으로단단한가?

이장에서는원자들의성질이화학결합의형태에어떻게영향을미치는파악하게됨으로써더욱더깊은통찰력을갖게될것이다. 왜냐하면이들이결국은물질의여러거동을결정하기때문이다.

Making 18 산업과화학 Aluminum - all-éroult Process 19 산업과화학 비료- Bosch - aber Process 20 화학의기본이론

emoglobin, Myoglobin, Enzymes 23 생명현상과화학 Medicines 24 생활과화학1 ealth, Food and Nutrition 25

Building(or unbuilding) blocks of the Universe 29 화학과미래세계 The future near and far away 30

1 결합과물질의성질 왜소금이나다른이온성물질은단단하면서깨어지기쉽고, 녹는점이매우높은고체이면서용융되었을때나물에용해되었을때만전기를통하는가? Bonding & Chemical Structure Classical & Quantum Views 왜양초와같은대부분의공유결합물질은녹는점이매우낮으며, 뭉개질수있으며, 전기를잘통하지않는가? 반면다이아몬드와몇가지다른예외적인경우는녹는점도높고극단적으로단단한가? 왜구리와대부분의다른금속성물질은반짝거리고무르며용융되었든고체상태로있든전기를잘통할수있는가? 이질문들에대한답변은물질내의결합의형태에있다. 이장에서는원자들의성질이화학결합의형태에어떻게영향을미치는파악하게됨으로써더욱더깊은통찰력을갖게될것이다. 왜냐하면이들이결국은물질의여러거동을결정하기때문이다. Class Schedule, Spring, 2017 공부할내용 lect Topic Title ure 17 산업과화학 The Chemistry of the Steel Making 18 산업과화학 Aluminum - all-éroult Process 19 산업과화학 비료- Bosch - aber Process 20 화학의기본이론 Counting and Detecting Substances 21 화학의기본이론 Bonding and Chemical Structure 22 생명현상과화학 emoglobin, Myoglobin, Enzymes 23 생명현상과화학 Medicines 24 생활과화학1 ealth, Food and Nutrition 25 생활과화학2 Polymers and Plastics 26 생활과화학3 Special Materials 27 생활과화학4 TBA 28 우주의구성물질 Building(or unbuilding) blocks of the Universe 29 화학과미래세계 The future near and far away 30 화학이란무엇인가?-II 31 Review 32 Final Exam 1. 이온결합 2. 공유결합 3. 쌍극자모멘트 4. 분자의구조와극성 5. 분자궤도함수이론 (M Theory) 모델과실제 결합이란 루이스전자점모델원자가전자이온화에너지 (IE) 전자친화도 (Electron Affinity, EA) 전기음성도 (Electronegativity, EN) 1

bonding - a close personal relationship that forms between people (as between husband and wife or parent and child)

2 공부할내용 결합과에너지 원자가전자 (valence electron) 옥테트규칙 (ctet) 이온 공유 전자쌍 결합 (bonding) 결합 ( 結合 ) 결합만 [- 함 -] 명사 둘이상의사물이나사람이서로관계를맺어하나가됨. 결합 (bonding) 금속과비금속의일반적인비교 Noun 1. bonding - fastening firmly together Synonyms: soldering 2. bonding - a close personal relationship that forms between people (as between husband and wife or parent and child) 금속과비금속의일반적인비교 성질금속원자비금속원자 원자크기크다작다 Z eff 작다크다 IE( 이온화에너지 ) EA( 전자친화도 ) 낮다 작은음의값 높다 큰음의값 화학결합의유형 1. 금속과비금속 전자이동과이온결합 2. 비금속과비금속 전자공유와공유결합 3. 금속과금속 전자바다와금속결합 2

화학결합의세가지유형 Cations Charge Formula Name +1 +2 + Li + Na + K + Cs + Ag + Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Zn 2+ Cd 2+ hydrogen lithium sodium potassium cesium silver

bromide 브롬화 I iodide 아이오딘화 2 oxide 산화 S 2 sulfide 황화 -3 N 3 nitride 질화 Cations Formula Name N + 4 ammonium 암모늄 3 + hydronium 하이드로늄 흔히보는다원자이온 Lewis 와원자가전자 Common

carbonate 탄산 Cr 2 4 chromate 크로뮴산 Cr 2 2 7 dichromate 다이크로뮴산 2 2 peroxide 과산화 S 2 4 sulfate 황산 P 3 4 phosphate 인산 Gilbert N. Lewis J. Am. Chem. Soc.

Lewis 와원자가전자 원자내의전자원자가전자 (valence electron) 화학반응에참여하는전자핵심부전자 (core electrons)- 화학반응에참여하지않는전자원자가껍질과원자가전자화학반응에참여하는전자로이들의행동으로단순화 Valence electrons ( 원자가전자 )are the

3 화학결합의세가지유형 Cations Charge Formula Name Li + Na + K + Cs + Ag + Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Zn 2+ Cd 2+ hydrogen lithium sodium potassium cesium silver magnesium calcium strontium barium zinc cadmium +3 Al 3+ aluminum 흔히보는단원자이온 Char ge -1-2 For mula Anions Name hydride 수소화 F fluoride 플루오르화 Cl chloride 염화 Br bromide 브롬화 I iodide 아이오딘화 2 oxide 산화 S 2 sulfide 황화 -3 N 3 nitride 질화 Cations Formula Name N + 4 ammonium 암모늄 3 + hydronium 하이드로늄 흔히보는다원자이온 Lewis 와원자가전자 Common Anions Formula Name C 3 C acetate 아세트산 CN cyanide 시안화 hydroxide 수산화 Cl 3 chlorate 염소산 N 2 nitrite 아질산 N 3 nitrate 질산 Mn 4 permanganate 과망가니즈산 Formula Name C 2 3 carbonate 탄산 Cr 2 4 chromate 크로뮴산 Cr dichromate 다이크로뮴산 2 2 peroxide 과산화 S 2 4 sulfate 황산 P 3 4 phosphate 인산 Gilbert N. Lewis J. Am. Chem. Soc., 1916, 38 (4), pp 당시원자핵과전자가발견되었으며, Bohr 는보어원자모델을제시 (1913) 한뒤였다. 그러나아직양자역학에대한정립은되지못하였다. Lewis 와원자가전자 원자내의전자원자가전자 (valence electron) 화학반응에참여하는전자핵심부전자 (core electrons)- 화학반응에참여하지않는전자원자가껍질과원자가전자화학반응에참여하는전자로이들의행동으로단순화 Valence electrons ( 원자가전자 )are the outer shell electrons of an atom. The valence electrons are the electrons that participate in chemical bonding. Group e - configuration # of valence e - 1A ns 1 1 2A ns 2 2 3A ns 2 np 1 3 4A ns 2 np 2 4 5A ns 2 np 3 5 6A ns 2 np 4 6 7A ns 2 np 5 7 3

옥테트규칙 (octet rule) 원자번호가비교적적은원자에서원자가껍질에전자가

영족기체원자의원자가껍질전자구조 e : 2개 Ne : 8개 Ar : 8개 The

Li Li + + e - e - + F F - Li + + F - Li + F

Na+ 10 e + 1e sodium ion anion ion with a

e Cl 18 e chloride ion 몇가지이온성화합물의녹는점과끓는점

4 옥테트규칙 (octet rule) 원자번호가비교적적은원자에서원자가껍질에전자가 8개를만들어영족기체의전자구조와같아지려는경향성을보이려는것. 영족기체원자의원자가껍질전자구조 e : 2개 Ne : 8개 Ar : 8개 The Ionic Bond( 이온결합 ) Li + F Li + F - [e] [Ne] Li Li + + e - e - + F F - Li + + F - Li + F - 이온이란? cation ion with a positive charge If a neutral atom loses one or more electrons it becomes a cation. Na sodium 이온의형성과이온결합화합물 11 p + 11 p 11 e + Na+ 10 e + 1e sodium ion anion ion with a negative charge If a neutral atom gains one or more electrons it becomes an anion. 이온성화합물의특성 1. 물리적성질 high mp & bp. 2. 전지적특성 용액에서도체 3. 역학적특성 잘부서짐 Cl chlorine 17 p + + 1e 17 p + 17 e Cl 18 e chloride ion 몇가지이온성화합물의녹는점과끓는점 화합물녹는점 ( o C) 끓는점 ( o C) CsBr NaI KBr NaCl LiF KF Mg Electrostatic forces and the reason ionic compounds crack. 4

Electrical conductance and ion mobility.

for Salt Solid ionic compound Molten ionic compound Ionic compound

이온결합모형에서는반대부호를갖는이온들끼리강한정전기적인력에의해서서로끌어당기면서고정되고,

이온성화합물이기체로되면이온쌍으로형성되는데, 이과정은매우높은온도가필요하다.

공유결합은대개비금속원소사이에서발생하며그결과분자를형성한다. 결합된원자는전자쌍을공동소유하고그전자쌍은원자사이에편재한다.

5 Electrical conductance and ion mobility. Chemistry In Action: Sodium Chloride Mining Salt Solar Evaporation for Salt Solid ionic compound Molten ionic compound Ionic compound dissolved in water 이온결합에서는, 금속원자가전자를비금속원자에게전달한다. 그결과형성된이온들이서로강하게끌어당겨고체를형성한다. 주족원소들은대개여덟개나두개의전자들로외각준위를채워서비활성기체의전자배치를갖는이온들을생성한다. 이온결합모형에서는반대부호를갖는이온들끼리강한정전기적인력에의해서서로끌어당기면서고정되고, 이는이온성고체들이구부러지는대신깨어지는이유, 또용융되거나용해되었을때만전기를통하는이유를잘설명해준다. 이온성화합물이기체로되면이온쌍으로형성되는데, 이과정은매우높은온도가필요하다. 이온결합은금속의원자가전자를비금속원자에전달함으로써이온들끼리서로끌어당겨생기고, 그결과이온성고체를형성한다. 공유결합은대개비금속원소사이에서발생하며그결과분자를형성한다. 결합된원자는전자쌍을공동소유하고그전자쌍은원자사이에편재한다. 금속결합은금속원자들이전자 바다 를이루는원자가전자들을공동으로차지하여모든원자들을묶어준다. 주족원소들의루이스전자 점기호는원자가전자들의개수를나타낸다. 결합을이룰때, 원자들은외각준위에여덟개 ( 혹은두개 ) 의전자로채워지도록전자를잃거나얻거나공유하게된다. 공유결합 루이스전자점구조 Representative Elements & Noble Gases Lewis 점기호 공유결합 전기음성도 Lewis 구조의표기 형식전하와 Lewis 구조 공명의개념 팔전자규칙의예외 결합엔탈피 5

공유결합이란 물의루이스구조 단일공유결합 두원자가두개이상의전자를공유하는결합. 공유해서옥테트를이룬다.

double bonds 단일공유결합 고립전자쌍 F F 고립전자쌍 삼중결합 두원자가세쌍의전자를공유 고립전자쌍 F F 고립전자쌍 단일공유결합 N N or N N

Triple Bonds Internuclear distance ( 결합길이 ) 결합길이와공유반경 Covalent radius Internuclear

121 C C 154 C = C 133 C C 120 C N 143 C = N 138 C N 116 N 136 N = 122 96 Internuclear

133 pm Bond Lengths Triple bond < Double Bond < Single Bond Strong forces within

6 공유결합이란 물의루이스구조 단일공유결합 두원자가두개이상의전자를공유하는결합. 공유해서옥테트를이룬다. + + or F F F + F 7e - 7e - 8e - 8e - F 2 의루이스구조 이중결합 두원자가두쌍의전자를공유 C or C double bonds double bonds 단일공유결합 고립전자쌍 F F 고립전자쌍 삼중결합 두원자가세쌍의전자를공유 고립전자쌍 F F 고립전자쌍 단일공유결합 N N or N N triple bond triple bond 공유결합길이 Average Bond Lengths of Some Common Single, Double, and Triple Bonds Internuclear distance ( 결합길이 ) 결합길이와공유반경 Covalent radius Internuclear distance ( 결합길이 ) Covalent radius Bond Type Bond length (pm) 72 pm 114 pm C 107 C 143 C = 121 C C 154 C = C 133 C C 120 C N 143 C = N 138 C N 116 N 136 N = Internuclear distance ( 결합길이 ) Covalent radius 100 pm Internuclear distance ( 결합길이 ) Covalent radius 133 pm Bond Lengths Triple bond < Double Bond < Single Bond Strong forces within molecules and weak forces between them. 결합차수, 결합길이, 결합에너지의관계 Strong covalent bonding forces within molecules Weak intermolecular forces between molecules 6

Covalent bonds of network covalent solids. 원자가전자를공유하게되면서두원자의핵은서로끌리고각원자의외각준위를채우면서공유결합을형성한다. 두원자의공유결합쌍의숫자는결합차수이다. 어떤주어진결합형태에서결합에너지는결합한원자들을완전히분리하기위해필요한평균에너지이고결합길이는그들핵간의평균거리이다.

이온화합물과공유화합물의비교 Polar covalent bond or polar bond is a covalent bond with greater electron density around one of the two atoms Property NaCl CCl 4 Appearance White solid Colorless liquid Melting point

59 Solubility in water igh Very low Electrical conductivity Solid Poor Poor Liquid Good Poor electron poor region electron rich region e poor F F d + e rich d *Molar heal of fusion and molar heal of

7 Covalent bonds of network covalent solids. 원자가전자를공유하게되면서두원자의핵은서로끌리고각원자의외각준위를채우면서공유결합을형성한다. 두원자의공유결합쌍의숫자는결합차수이다. 어떤주어진결합형태에서결합에너지는결합한원자들을완전히분리하기위해필요한평균에너지이고결합길이는그들핵간의평균거리이다. 어떤주어진결합원자에서결합차수는결합에너지와직접적인관계가있고결합길이와는역수관계가있다. 분리된분자들로구성된물질들은분자간에약한힘으로묶여있기때문에대개단단하지못하고녹는점이낮다. 대부분의공유결합물질의전자들은편재화되어있고이온들은없기때문에전기전도도가낮다. 공유결합을이루는원자들은진동하고있는데이들진동의에너지는 IR 분광법으로살필수있다. 이온화합물과공유화합물의비교 Polar covalent bond or polar bond is a covalent bond with greater electron density around one of the two atoms Property NaCl CCl 4 Appearance White solid Colorless liquid Melting point ( C) Molar heat of fusion* (kj/mol) Boiling point ( C) Molar heal of vaporization* (kj/mol) Density (g/cm 3 ) Solubility in water igh Very low Electrical conductivity Solid Poor Poor Liquid Good Poor electron poor region electron rich region e poor F F d + e rich d *Molar heal of fusion and molar heal of vaporization are the amounts of heat needed to melt 1mole of the solid and to vaporize 1 mole of the liquid, respectively. Electronegativity( 전기음성도 ) is the ability of an atom to attract toward itself the electrons in a chemical bond. Pauling 의전기음성도 (EN) Electron Affinity measurable, Cl is highest X (g) + e X (g) Electronegativity(Mulliken) (IE 1 + EA) Electronegativity relative, F is highest 7

8 Variation of Electronegativity with Atomic Number 화학결합의이온성 원자의전기음성도는결합전자들을끌어당겨서결합의극단에부분전하를생성하는능력을일컫는다. 전기음성도는주기율표상에서오른쪽으로갈수록증가하고같은족에서아래로갈수록감소한다. 한결합에서두원자의 ΔEN 이클수록, 결합의극성이커지고이온성이커진다. 3 주기원소들의할로겐화합물의경우에는결합의형태가이온성에서극성공유성을거쳐비극성공유성으로점차적으로변한다. Properties of the Period 3 chlorides. 쌍극자모멘트와극성분자 3 주기원소들의결합성에나타나는점진성. 삼각형의좌변을따라서나타낸것은염소와결합하는각원소의결합성이이온성에서공유성으로점진적으로바뀌는것이다. 삼각형의우변을따라서나타낸것은원소들의결합이공유성에서금속성으로점진적으로바뀐다는것이다. 밑변을따라서는각나트륨화합물의원소의결합성이이온성에서금속성으로점진적으로바뀐다는것이다. electron poor region electron rich region F d+ d- m = Q x r Q is the charge, de r is the distance between charges 1 D = 3.36 x C m 8

9 분자의모형과극성 2, C 2, S 2, and C 4 S S 극성분자 극성분자 C C C C 비극성분자 비극성분자 극성분자들의배열 BF 3 는쌍극자모멘트가있을까? C 2 Cl 2 는쌍극자모멘트가있을까? C Cl Cl 9

몇가지극성분자의쌍극자모멘트 원자가결합이론 Molecule Geometry( 기하구조 ) Dipole Moment (D) F Linear( 선형 )

두개의수소원자의거리에따른퍼텐셜에너지함수 두개의수소원자의거리에따른전자밀도의변화, Cl, 결합 - 고전적개념 molecule mp( C) bp( C)

10 몇가지극성분자의쌍극자모멘트 원자가결합이론 Molecule Geometry( 기하구조 ) Dipole Moment (D) F Linear( 선형 ) Cl Linear( 선형 ) Br Linear( 선형 ) I Linear( 선형 ) 2 Bent( 굽은형 ) 원자가결합이론은원자가궤도함수의부분적겹침으로형성한다고설명. 2 S Bent( 굽은형 ) N 3 Trigonal pyramidal ( 삼각피라미드 ) S 2 Bent( 굽은형 ) 두개의수소원자의거리에따른퍼텐셜에너지함수 두개의수소원자의거리에따른전자밀도의변화, Cl, 결합 - 고전적개념 molecule mp( C) bp( C) dipole(d) pka 이온결합 이온의형성, 쿨롱힘으로결합 공유결합 두원자사이의전자공유 전자의위치가고정됨 편재된전자 (localized electrons) 편재된결합 (localized bond) Cl Cl??? Cl Cl 3-1 Cl

11 고전적결합의한계 전자의위치가분자전체에퍼져있음 비편재된전자 (delocalized electrons) 비편재된결합 (delocalized bond) 결합 - 양자화학적개념 파동함수의겹침 파동함수의위상에따라 동일한위상 보강간섭 반대의위상 상쇄간섭 수소분자궤도함수 수소분자궤도함수 s 에서시그마 (σ) 분자궤도함수생성 s 에서시그마 (σ) 분자궤도함수생성 p 에서시그마 (σ) 분자궤도함수생성 p 에서파이 (π) 분자궤도함수생성 11

12 전자배치 (s 2s ) 2 (s* 2s ) 2. 분자궤도상관도표 : Be 2 질소분자, N 2, N N Melting point K( C) Boiling point K( C) Bond length A N 2 의반자성성질 Be 2 의결합차수는 0 이고, 존재하지않는다. 산소분자, 2, = 비편재분자궤도함수 = Melting point Boiling point Bond length K( C) K( C) A = 2 의상자성성질 = 벤젠분자의전자밀도분포 Fullerene, Carbon nano-tube, graphene, 12

슬라이드 1

슬라이드 1 9. 화학결합 I: 공유결합 < Essential oncept > Lewis 기호 (, dot) S 이온결합, 격자에너지 공유결합 전기음성도, 산화수 Lewis 구조쓰기 ( 그리기 ) 형식전하와 Lewis 구조공명의개념 8 전자계규칙및예외 결합에너지 열화학 Mg S 8 Mg Yakko, Wakko, and Dot K r 7 Ni Br 111 Au u 화학결합