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영광 문
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General Chemistry I (Chapter 9 1) Chemical Bonding I (CH 9.1 9.

1 General Chemistry I (Chapter 9 1) Chemical Bonding I (CH ) Tae Kyu Kim Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr) SUMMARY (CHAPTER 8)

2 Periodic Properties of Elements 유효핵전하증가, 반지름감소 IE 증가, EA 증가 껍질증가반지름증가 IE 감소 EA 감소 Question? 이온결합이란? 그원인은? 금속양이온및비금속음이온사이의결합 - 격자에너지 비금속사이의결합은? 원자가전자를공유함 - 공유결합 공유결합을표시하는방법은? 옥텟규칙을이용하여루이스구조로나타냄

3 Terminology 이온결합 ionic bonding 격자에너지 lattice energy 공유결합 covalent bonding 고립전자쌍 lone pair electrons 루이스구조 Lewis structure 팔전자규칙 octet rule 단일결합 single bond 다중결합 multiple bond 이중결합 double bond 삼중결합 triple bond Types of Chemical Bonds A. Ionic bonding ( 이온결합 ) 음이온과양이온사이의정전기적인력에의한결합 전자를잃기쉬운원자 ( 금속 ) 와큰전자친화력을가지원자 ( 비금속 ) 가반응하여이온성물질형성 B. Covalent bonding ( 공유결합 ) 두원자핵이전자를공유함으로써이루어진결합 C. Bond energy ( 결합에너지 ) 화학결합을끊는데필요한에너지이온간의인력에너지는 r : 이온중심간의거리 (nm 단위 ) 쿨롱의법칙으로계산 Q 1, Q 2 : 이온의전하 D. 화학결합 vs. 퍼텐셜에너지 1) 양성자 양성자반발력, 2) 전자 전자반발력, 3) 양성자 전자인력에의한퍼텐셜에너지의최소화

4 Types of Chemical Bonds 퍼텐셜에너지가최소일때두원자간거리 : 결합길이 두 H 원자사이에결합 ( 공유결합 ) 이형성되었음 Lewis Dot Symbol A. Lewis dot symbol( 루이스점기호 ) 원소기호와원자가전자개수에해당하는점으로구성

Ions: electron configurations and sizes A.

두원자의원자가궤도함수에전자가완전히채워지는방식으로전자를공유비금속원자와금속원자의이온결합 :

이온화합물의화학식예측 이온화합물은일반적으로고체상태 고체이온화합물은음이온 - 음이온과양이온 - 양이온간의반발력을최소화하고양이온

예 ) Ca 와 O 로형성한이온화합물산소의전기음성도 (3.5) 가칼슘 (1.

5 Ions: electron configurations and sizes A. 영족기체전자배치 안정한화합물을구성하는원자의대부분은영족기체의전자배치를가짐 두비금속원자의공유결합 : 두원자의원자가궤도함수에전자가완전히채워지는방식으로전자를공유비금속원자와금속원자의이온결합 : 비금속원자는음이온이되면서다음영족기체원자의전자배치를가지고, 금속원자는양이온이되면서최외각원자가궤도함수가비어있게됨 B. 이온화합물의화학식예측 이온화합물은일반적으로고체상태 고체이온화합물은음이온 - 음이온과양이온 - 양이온간의반발력을최소화하고양이온 - 음이온간의인력을극대화하는방식으로양이온과음이온이결합 Ions: electron configurations and sizes 예 ) Ca 와 O 로형성한이온화합물산소의전기음성도 (3.5) 가칼슘 (1.0) 보다훨씬크기때문에화합물내에서전자들은칼슘에서산소로이동 => 산소는음이온, 칼슘은양이온산소는자신의 2s 와 2p 원자가궤도함수를채워네온의전자배치 (1s 2 2s 2 2p 6 ) 를이루기위해두개의전자필요칼슘은두개의전자를잃어버려아르곤의전자전자배치를얻음 화합물의실험식은 CaO

수소는전형적으로비금속처럼행동 한개의전자를얻어 H - 형성 Formation of binary ionic compounds A.

6 Ions: electron configurations and sizes 예 ) Al 와 O 로형성한이온화합물 Al: [Ne]3s 2 3p 1 O: [He]2s 2 2p 4 2Al + 3O 2Al O 2-6e - 화합물의실험식은 Al 2 O 3 1A 족금속은한개, 2A 족금속은두개, 3A 족금속은세개의전자를잃음 비금속인 7A 족은한개, 6A 족은두개의전자를얻음 수소는전형적으로비금속처럼행동 한개의전자를얻어 H - 형성 Formation of binary ionic compounds A. Iattice energy ( 격자에너지 ) 분리된기체이온들이이온성고체를형성하기위해밀착될때방출되는에너지 반대로하전된이온들이뭉쳐서형성된이온고체는원래의원소들보다낮은에너지를갖음고체상태에서얼마나강하게이온들이서로를끌어당기고있는지는격자에너지로나타냄

7 Formation of binary ionic compounds Formation of binary ionic compounds B. 격자에너지계산 k : 고체의구조와이온의전자배치에의존하는상수 Q 1, Q 2 : 이온전하 r : 양이온과음이온중심간최소거리 격자에너지는 Q 1 과 Q 2 가반대부호가질때음의부호 이온전하가증가하는만큼, 그리고고체내에서이온사이의거리가감소하는만큼더발열적 C. MgO 와 NaF 의비교 Mg에서 Mg 2+ 를형성하는데필요한이온화에너지 > Na에서 Na + 를형성하는데필요한이온화에너지 Mg 2+ + O 2- MaO(s) 의격자에너지 > Na + + F - NaF(s) 의격자에너지 전체에너지변화는비슷

8 Formation of binary ionic compounds 고체이온화합물의구조와조성을결정하는것은전하수가높은이온이형성될때필요한에너지와, 전하수가높은이온이고체를형성할때방출되는에너지의상호관계 왜고체플루오린화소듐 (NaF) 은 Na 2+ 와F 2- 보다 Na + 와F - 이온을가지나? NaF의경우, 2가로하전된이온을생성하는데요구되는에너지가격자에너지보다큼 Localized electron bonding model A. 편재된전자모형 (localized electron model) 분자내의원자들은결합된원자들간에원자궤도함수들을사용하여전자쌍을공유함으로써결합을형성분자내전자쌍은특정원자또는두원자들사이의공간에편재되어있다고가정 특정원자에편재되어있는전자쌍 : 고립전자쌍 (lone pair) 원자들사이의공간에서발견되는전자쌍 : 결합전자쌍 (bonding pair) 결합전자쌍 고립전자쌍 편재된전자모형은다음의세부분으로구성 1. 분자에서원자가전자배치에대한설명은 Lewis 구조사용 2. 분자의구조예측에는원자가껍질전자쌍반발 (VSEPR) 모형이용 3. 원자궤도함수의종류설명시전자를공유한원자나고립전자쌍을가진원자이용

9 Lewis structures A. Lewis structure (Lewis 구조 ) 분자내에서원자주위에전자가어떻게배치되었나를나타냄 안정한화합물을형성하는데가장중요한점은모든원자들이영족기체의전자배치를갖는다는것 K + : [Ar] 의전자배치 Br - : [Kr] 의전자배치 B. 이전자규칙 (duet rule): 첫번째주기원자 수소는두개의전자를공유하여안정한분자형성 : 이전자규칙 헬륨은원자가궤도함수가이미채워져있어결합을하지않음 ( 영족기체 ) He: C. 팔전자규칙 (octet rule) Lewis structures C 에서 F 까지의비금속은원자가궤도함수 (2s, 2p) 가모두전자로채워졌을때, 안정한분자형성 8 개의전자가필요 ( 팔전자규칙, octet rule) 결합전자쌍 고립전자쌍 Ne 은원자가궤도함수가이미채워져있어결합을하지않음 ( 영족기체 )

10 Lewis structures D. Lewis 구조를작성하는규칙 1. 모든원자들의원자가전자수를더한다. 2. 한개의결합이형성되는데한개의전자쌍을사용 3. 수소는이전자규칙, 2 주기의원소들은팔전자규칙 예 ) 물 (H, H, O) 결합전자쌍을나타내는데점대신에선을이용 수소는두전자로만족. 산소는여덟개의전자가필요남은네개의전자는두개의고립전자쌍으로산소에 각 H 는두전자, O 는여덟개전자가짐 Lewis structures 예 ) CO 2 예 ) CN

11 Example Summary (Chapter 9 1) 화학결합 이온결합및공유결합 두비금속원자 : 전자를공유하여영족기체전자배치형성비금속 + 금속원자 : 전자를주고받아영족기체전자배치형성 이성분이온화합물의형성 격자에너지와이온결합화합물의세기 편재된전자결합모형고립전자쌍 : 특정원자에편재되어있는전자쌍결합전자쌍 : 원자들사이의공간에서발견되는전자쌍 Lewis 구조 2 주기원소 : octet rule

12 General Chemistry I (Chapter 9 2) Chemical Bonding I (CH ) Tae Kyu Kim Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr) Summary (Chapter 9 1) 화학결합 이온결합및공유결합 두비금속원자 : 전자를공유하여영족기체전자배치형성비금속 + 금속원자 : 전자를주고받아영족기체전자배치형성 이성분이온화합물의형성 격자에너지와이온결합화합물의세기 편재된전자결합모형고립전자쌍 : 특정원자에편재되어있는전자쌍결합전자쌍 : 원자들사이의공간에서발견되는전자쌍 Lewis 구조 2 주기원소 : octet rule

13 Question? 전기음성도란? 화학결합에서전자들을끌어당길수있는능력 극성유무 루이스구조의예외는? 3 주기이상의원소가결합에참여두가지의이상의루이스구조가가능 형식전하및공명 결합엔탈피결합의세기 : 결합엔탈피를이용하여반응엔탈피를계산 Electronegativity A. Electronegativity ( 전기음성도 ) 분자에서공유한전자들을자기쪽으로끌어당기는원소의능력 H와 X가동일한전기음성도갖는다면 = 0 X가 H보다더큰전기음성도갖는다면 > 0 공유전자는 X원자에더가깝게존재. 결합의이온성증가. 부분적으로하전된 H와 X사이의인력은더큰결합강도유발 X와 H의상대적전기음성도는 값으로부터정함 (Pauling scale)

14 Electronegativity Partial ionic character of covalent bonds A. 결합의이온성퍼센트 독립적인원자쌍들사이의완전한이온결합은거의없음 완전한이온인 X + Y - 에대한쌍극자모멘트계산값과 X-Y 형의분자들에대한쌍극자모멘트측정값을비교하여이온성퍼센트를계산 공유결합극성공유결합이온결합

예외 Exceptions to the octet rule 붕소는원자가궤도함수에 6 개의전자를갖고화합물을형성하는경향이있음 몇몇원자는여덟개보다많은전자를가질때도있음 : 3

15 Partial ionic character of covalent bonds 이그림은기체상태의화합물의경우임, 고체상태에는반드시적용되는것이아님실질적으로는 용융되었을때전기를전도하는물질은이온화합물이다 라고정의함 A. 예외 Exceptions to the octet rule 붕소는원자가궤도함수에 6 개의전자를갖고화합물을형성하는경향이있음 몇몇원자는여덟개보다많은전자를가질때도있음 : 3 주기이상의원소에서만관측 6 개의 S-F 결합에 12 개전자사용나머지 36 개는 6 개의 F 가사용 이구조에서황은 12 개의전자로둘러싸임, 황은팔전자규칙을초과 황의원자가궤도함수는 SF 6 에서황원자는 8 개의전자를 3s 와 3p 에채우고, 비어있는 3d 에네개의전자를채워그주변에 12 개의전자를가질수있음

16 Exceptions to the octet rule A. Resonance ( 공명 ) Resonance 어떤분자가둘이상의 Lewis 구조가가능할때공명 (resonance) 이일어난다고하고, 분자의적절한전자구조는이들공명구조 (resonance structure) 의평균으로주어짐 실험적으로 NO 3- 가단일결합과이중결합의중간정도길이와세기를갖는 N O 결합만가짐세 Lewis 구조중어느것하나로주어지지않고, 세개의평균이 NO 3- 의올바른 Lewis 구조임 질산이온은세구조의평균으로존재즉, 공명이있어났으며공명구조 ( 양방향화살표사용 ) 는아래와같음

17 Resonance B. Formal charge ( 형식전하 ) 형식전하 = ( 중성원자의원자가전자수 ) ( 분자내에서그원자에속한원자가전자수 ) 형식전하계산을위한가정들 : 1. 고립전자쌍의전자들은한원자에완전히속함 2. 공유전자쌍은두공유원자에동등하게나눔 ( 원자가전자수 ) 할당 = ( 고립전자쌍전자수 ) + ½( 공유된전자수 ) (-1) (-1) (+2) (-1) (-1) Resonance Lewis 구조평가할때, 형식전하에대한두가지의기본규칙 1. 원자는가능하면형식전하가 0 에가까운값을가지려함 2. 음의형식전하는가장전기음성도가큰원자에존재 그러므로황산이온은옆과같은공명구조를가질것으로기대됨

Resonance 형식전하가분자에서실제원자의전하에산화수보다가깝다하더라도, 형식전하는여전히전하의근사값만을나타냄즉,

원자들의집합체가단독으로존재하는원자들보다안정한경우에결합이형성예 ) 1 mol의기체 C 원자와 4 mol의기체 H

18 Resonance 형식전하가분자에서실제원자의전하에산화수보다가깝다하더라도, 형식전하는여전히전하의근사값만을나타냄즉, 그들은실제원자의전하가될수없음 Covalent chemical bond: a model A. 화학결합 화학결합이란원자의집합체를하나의단위체로거동하게하는힘결합은가능한가장낮은에너지상태를찾으려고하는계의경향성결과이고, 원자들의집합체가단독으로존재하는원자들보다안정한경우에결합이형성예 ) 1 mol의기체 C 원자와 4 mol의기체 H 원자가 1몰의 CH 4 ( 메테인 ) 분자를형성하는데 1652 kj의에너지가방출 이구조에는네개의 C-H 상호작용 ( 결합 ) 이존재 CH 4 의안정화에너지는네개의 C-H 결합에동등하게나누어지고, 평균 C-H 결합에너지는

Covalent chemical bond: a model CH 4 1mol 을 1652 kj 의안정화에너지를갖는단위체로생각하는것보다, 각각 413 kj 의에너지를갖는네개의 C-H 결합으로 CH 4 가형성된것으로생각하는것이편리 결합모형은화학적거동의체계화를제공, 결합모형에의하면 분자들이동일한성분 ( 결합 ) 의집합체 라고생각할수있음

19 Covalent chemical bond: a model CH 4 1mol 을 1652 kj 의안정화에너지를갖는단위체로생각하는것보다, 각각 413 kj 의에너지를갖는네개의 C-H 결합으로 CH 4 가형성된것으로생각하는것이편리 결합모형은화학적거동의체계화를제공, 결합모형에의하면 분자들이동일한성분 ( 결합 ) 의집합체 라고생각할수있음 어떤결합이다른분자환경에서도동일하다고생각할수있음 Covalent bond energies and reactions A. 화학반응에너지 vs. 화학결합 각각의 C-H 결합이깨어질때, 에너지요구량은각단계마다동일하지않음 => C-H 결합이그환경에민감하다는것을보여줌 C-H 결합세기가그환경에따라현저하게다르다는것을보여줌, 그러나 C-H 결합세기의평균값은화학자에게여전히유용

Covalent bond energies and reactions 단일결합 : 한개의전자쌍을공유한결합이중결합 : 두개의전자쌍을공유한결합삼중결합 : 세개의전자쌍을공유한결합 공유된전자쌍이많을수록결합길이짧아지고결합에너지커짐 Covalent bond energies and

20 Covalent bond energies and reactions 단일결합 : 한개의전자쌍을공유한결합이중결합 : 두개의전자쌍을공유한결합삼중결합 : 세개의전자쌍을공유한결합 공유된전자쌍이많을수록결합길이짧아지고결합에너지커짐 Covalent bond energies and reactions B. 결합에너지와엔탈피 한개의 H-H 와한개의 F-F 결합이끊어지고, 두개의 H-F 결합을형성하는이반응의에너지변화량은 D 는결합 1 mol 당결합에너지 HF 의표준생성엔탈피 (-271 kj/mol) 로부터의이반응에대한 H 값은 H 를계산하는데결합에너지를이용할수있음

21 Summary (Chapter 9 2) 편재된 전자 결합 모형 고립 전자쌍: 특정 원자에 편재되어 있는 전자쌍 결합 전자쌍: 원자들 사이의 공간에서 발견되는 전자쌍 Lewis 구조 2주기 원소: octet rule 팔전자 규칙의 예외 3주기 원소: 8개 이상 (d orbital이 채워질 수 있음) 공명 형식 전하: (중성 원자의 원자가 전자수) (분자 내에서 그 원자에 속한 원자가 전자수) 공유 결합 에너지와 화학반응 반응 엔탈피: 표준생성엔탈피 외에 결합에너지로 계산 -41- SUMMARY (CHAPTER 9) -42-

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