공유결합의구조와에너지를설명하는모형 편재화된결합모형 (Localized Electron (LE) onding Model) Lewis 구조 (Lewis Structure) 원자가껍질전자쌍반발모형 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model 원자가결합이론 Valence ond Theory (ybridization) 비편재화된결합모형 (Delocalized Electron (LE) onding Model) 분자궤도함수이론 Molecular Orbital (MO) Theory 9 분자의기하학적구조와결합이롞
분자모양 예측방법 1: A n 분자에서원자들사이의거리를최대로유지 결합각 (bond angle)
분자모양 예측방법 2: 분자의구조를예측핛수있는편리핚방법??
VSEPR 모형 원자가껍질전자쌍반발 (VSEPR, valence shell electron pair repulsion) 모형 : 어떤원자주변의구조는일차적으로전자쌍 ( 결합전자쌍, 고립전자쌍 ) 들사이의반발력을최소화하는방향으로결정된다. C 4 C Lewis Structure VSEPR Structure
VSEPR 모형 VSEPR 모형을이용핚분자구조예측 : 1. 분자나이온의 Lewis 구조를그린다. [ 비공유 ( 고립 ) 전자쌍, 단일결합, 이중결합, 삼중결합을각각하나의전자쌍으로갂주 ] 2. 전자영역 ( 전자쌍 ) 사이의반발이최소가되도록중심원자주변에전자쌍을배열 => 전자영역의기하학적구조를결정핚다. 3. 결합된원자의배열을사용하여분자의기하학적구조를결정핚다. 고립전자쌍을제외핚구조 ( 원자의배열구조, 분자구조 )
VSEPR 모형 비공유전자쌍과다중결합이결합각에미치는영향 반발력 (Lp-Lp) > 반발력 (Lp-p) > 반발력 (p-p) N 3 N # of e - pairs = 4 사면체 (tetrahedron) 삼각뿔 (trigonal pyramid) 2 O -O- 사면체 (tetrahedron) 굽은형 (bent shape)
VSEPR 모형 비공유전자쌍과다중결합이결합각에미치는영향 다중결합은 VSEPR 모형에서하나의전자쌍으로갂주. 다중결합의반발력은단일결합의반발력보다약갂크다. 120 o
VSEPR 모형 확장된원자가껍질을갖는분자 반발력 (Lp-Lp) > 반발력 (Lp-p) > 반발력 (p-p) PCl 5 PCl 4 - A A A A A trigonal bipyramid lp-bp : 90 o (x2) lp-bp : 90 o (x3) see-saw ClF 3 I 3 - A lp-lp : 90 o (x1) lp-bp : 90 o (x3) A lp-lp : 180 o (x1) lp-bp : 90 o (x6) A lp-lp : 120 o (x1) lp-bp : 90 o (x4) A A A lp-lp : 120 o (x3) lp-lp : 90 o (x2) lp-lp : 90 o (x2) T-structure A A linear # of e - pairs = 5
VSEPR 모형 확장된원자가껍질을갖는분자 반발력 (Lp-Lp) > 반발력 (Lp-p) > 반발력 (p-p) # of e - pairs = 6 A A octahedral XeF 4 no dipole moment A lp-lp : 180 o (x1) lp-bp : 90 o (x8) A lp-1p : 90 o (x1) lp-bp : 90 o (x6) sqaure plananr
VSEPR 모형 확장된원자가껍질을갖는분자
VSEPR 모형 확장된원자가껍질을갖는분자 Ex) VSEPR 모형을사용하여분자의기하학적구조를예측하시오. (a) SF 4, (b) IF 5.
VSEPR 모형 큰분자의모양 C 3 O -C-O-
분자의모양과극성 8 장
공유결합 공유결합의구조와에너지를설명하는모형 편재화된결합모형 (Localized Electron (LE) onding Model) 핚원자의원자궤도함수 (orbital) 에있는전자와다른원자의원자궤도함수에있는전자를두개의원자가서로공유 ( 전자쌍공유 ) 함으로써분자를형성 분자에있는전자쌍은특정원자에편재화되어있거나두원자사이의공갂에편재화되어있는것으로생각 특정원자에편재화되어있는전자쌍 : 고립전자쌍 (lone pairs) 두원자사이의공갂에편재화되어있는전자쌍 : 결합전자쌍 (bonding pairs) Lewis 구조 (Lewis Structure) 원자가전자의배열을설명 원자가껍질전자쌍반발모형 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model 원자가결합이론 Valence ond Theory (ybridization) 분자의구조예측 결합전자쌍또는고립전자쌍이들어있는원자궤도함수 ( 원자 orbital) 를설명 비편재화된결합모형 (Delocalized Electron (LE) onding Model) 분자궤도함수이론 Molecular Orbital (MO) Theory 원자에서의원자 orbital 처럼, 분자에서양자역학적해 (solution) 인분자 orbital 을이용하여분자를설명
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론 ) 공유결합의구조와에너지를설명하는모형 편재화된결합모형 (Localized Electron (LE) onding Model) Lewis 구조 (Lewis Structure) 원자가껍질전자쌍반발모형 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model 원자가결합이론 Valence ond Theory (ybridization) 비편재화된결합모형 (Delocalized Electron (LE) onding Model) 분자궤도함수이론 Molecular Orbital (MO) Theory What do the atomic orbitals for forming molecules?
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, Valence ond Theory, VT) 화학결합을설명하기위핚양자역학적첫시도 Y = f A (1)f (2)+f A (2)f (1) Y = f A (1)f (2) 각전자는서로다른원자사이를자유롭게이동 두핵사이의공갂에서두전자를발견핛확률증가 화학결합 화학결합을원자오비탈의겹침 ( 중첩 ) 으로생각
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) Cl C 4 사면체구조 4 개의동등핚결합 4 + C C Cl 2 s bond s bond 90 o C 90 o 90 o 하나의 는위치가결정되지않음??? s 결합 (bond) : 핵과핵을연결하는축상에전자밀도졲재
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) sp 3 혼성화 (ybridization): 원자오비탈들을혼합하여, 원자의결합특성을정성적으로설명하기에적절핚, 새로운혼성오비탈 (hybrid orbitals) 만든다는개념
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) sp 3 C 4 109.5 o 4 C C(sp 3 ) tetrahedral s(sp 3 C +1s ) 4 개의 s 결합
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) sp 3 N N 3 N 2p 2s sp 3 sp 3 hybridized N 3 lone pair in sp a.o. s(sp 3 N + 1s ) 3 개의 s 결합 2 O O 2s -O- 2p sp 3 sp 3 hybridized O lone pairs in sp 3 a.o.s s(sp 3 O + 1s ) 2 개의 s 결합
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) sp ef 2 선형, 2 개의동등핚결합 2 개의 s 결합
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) sp 2 3 평면삼각형세개의동등핚결합 3 개의 s 결합
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) 혼성오비탈만들기요약 1. Lewis 구조 2. VSEPR 모형을이용하여중심원자의전자영역의기하학적구조를결정 3. 기하학적배열에기초하여, 전자쌍을수용하는데필요핚혼성오비탈을결정
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) dsp 3 PCl 5 A A 삼각쌍뿔 (trigonal bipyramid) PCl 5
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론, VT) 혼성화 (ybridization) d 2 sp 3 SF 6 A A 팔면체 (octahedral)
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론 ) 다중결합 다중결합 s 결합 (bond) : 핵과핵을연결하는축상에전자밀도졲재 p 오비탈의측면겹침에서부터 p 결합 (p bond) 이생성. p 결합은핵갂축의위아래로겹쳐진다.
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론 ) 다중결합 다중결합 C 2 4 6 개의원자가모두핚평면에졲재
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론 ) 다중결합 다중결합 C 2 2 -C C- 선형 포름알데하이드 (formaldehyde)
공유결합과오비탈겹침 ( 원자가결합이론 ) 공명구조, 비편화된 p 결합 Lewis 구조 원자오비탈과 s 결합 s (sp 2 O + sp 2 N) 비편재화된 p 결합 원자오비탈과 s 결합 비편재화된 p 결합
편재화된결합모형 요약 Lewis 구조를그려라. 전자쌍의배열을결정하여라.(VSEPR 모형 ) 혼성오비탈을결정하여라.( 원자가결합이롞, Valence ond Theory) Ex) 다음분자에서화살표의원자에형성되는혼성오비탈은? 몇개의 s, p 결합이있는가? sp 2 sp 2 C sp C O C C N sp 3 O sp 2 C sp 3 12 s bonds and 4 p bonds 고립전자쌍 ( 비공유전자쌍 ) 은몇개인가?
분자오비탈이론 (Molecular Orbital Theory) 공유결합의구조와에너지를설명하는모형 편재화된결합모형 (Localized Electron (LE) onding Model) 핚원자의원자궤도함수 (orbital) 에있는전자와다른원자의원자궤도함수에있는전자를두개의원자가서로공유 ( 전자쌍공유 ) 함으로써분자를형성 분자에있는전자쌍은특정원자에편재화되어있거나두원자사이의공갂에편재화되어있는것으로생각 특정원자에편재화되어있는전자쌍 : 고립전자쌍 (lone pairs) 두원자사이의공갂에편재화되어있는전자쌍 : 결합전자쌍 (bonding pairs) Lewis 구조 (Lewis Structure) 원자가전자의배열을설명 원자가껍질전자쌍반발모형 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model 원자가결합이론 Valence ond Theory (ybridization) 분자의구조예측 결합전자쌍또는고립전자쌍이들어있는원자궤도함수 ( 원자 orbital) 를설명 비편재화된결합모형 (Delocalized Electron (LE) onding Model) 분자궤도함수이론 Molecular Orbital (MO) Theory 원자에서의원자 orbital 처럼, 분자에서양자역학적해 (solution) 인분자 orbital 을이용하여분자를설명
분자오비탈이론 (Molecular Orbital Theory) 액체 O 2 액체 N 2 S N S N
분자오비탈이론 (Molecular Orbital Theory) 편재화된전자결합모형 (LE) 은분자의결합과구조를예측하는데매우유용하지만몇가지단점이있다. 공명의개념이없음 분자의상자기성 (paramagnetic properties) 을설명하는데부족 결합에너지에대핚정보가없음 O 2 는상자기성이다! O O Lewis 구조 VSEPR 모든전자는 Valence bond theory 쌍으로있다. sp 2 혼성오비탈 고립전자쌍은 sp 2 혼성오비탈에있다. 결합전자쌍은 s 와 p 결합에있다. 상자기성 (Paramagnetism) 홑전자 (unpaired electrons) 자장에끌림 반자기성 (diamagnetic) 물질이자장에반발하는세기보다강함
분자오비탈이론 (Molecular Orbital Theory) 1 proton and 1 electron Schröedinger Eq => Atomic orbitals 파동함수의조합 : 보강조합 (constructive Overlap) 2 2 protons and 2 electrons Schröedinger Eq => Molecular orbitals 해가없음 => LCAO (linear combination of atomic orbitals) f A A f + f f + 2 Constructive overlap 핵사이에전자밀도증대 결합오비탈 (bonding orbital) + f A + f - 2 A f - f destructive overlap 핵사이에마디 (node) 핵들이서로반발 반결합오비탈 (antibonding orbital) + + 상쇄조합 (destructive Overlap) 분자궤도함수 ( 분자오비탈, Molecular orbitals) : 분자에서의원자가전자에대핚양자역학적해
분자오비탈이론 (Molecular Orbital Theory) 상대적으로높은에너지상태 낮은에너지상태 f A A f + f f + 2 Constructive overlap 핵사이에전자밀도증대 결합오비탈 (bonding orbital) f A f - 2 A f - f destructive overlap 핵사이에마디 (node) 핵들이서로반발 반결합오비탈 (antibonding orbital)
MO 형성의원리분자오비탈이론 2 MO 형성의원리 1. N개의원자오비탈이조합되면 N개의분자오비탈이만들어진다. 2. 비슷핚에너지상태를가진원자오비탈끼리조합하여분자오비탈을만든다. 3. 원자오비탈두개의효과적인결합은그들상호갂의겹침에비례핚다. 즉, 상호겹침이증가핛수록, 결합 성오비탈의에너지는낮아지고, 반결합성오비탈의에너지는높아진다. 4. 각분자오비탈은짝진스핀 (Pauli 배타원리 ) 의두개의전자를수용핛수있다. 5. 동일핚에너지의분자오비탈에전자를채울때, 스핀이쌍을이루기전에각오비탈에핚개씩, 전자가 동일핚스핀상태로들어갂다 (und 규칙 ). - + - +
분자오비탈이론 결합차수 (ond order) (s 1s ) 2 (s 1s ) 2 (s 1s *) 2 (s 1s ) 2 (s 1s *) 1 b.o. = 1 b.o. = 0 b.o. = 0.5
분자오비탈이론 Li 2 와 e 2 Li 2 e 2 1s + 1s no MO (s 2s ) 2 (s 2s ) 2 (s 2s *) 2 b.o. = 1 b.o. = 0
분자오비탈이론 2p 오비탈로부터분자오비탈의생성 - + - + - + - + - + - 2 주기동핵이원자분자의분자오비탈의에너지준위도표 (O 2, F 2, Ne 2 ) + - + + - - + - - +
분자오비탈이론 2, C 2, N 2 (O 2, F 2, Ne 2 ) ( 2, C 2, N 2 )
분자오비탈이론 2 ~ Ne 2 의전자배치와분자성질 LUMO (lowest unoccupied MO) OMO (highest occupied MO) ig triumph of MO Theory!! O 2 in magentic field
분자오비탈이론 2 ~ Ne 2 의전자배치와분자성질 Ex) electron configurations and bond orders of O 2, O 2+, O 2-? O O + 2 2 O - 2 O 2 : (s 2s ) 2 (s 2s *) 2 (s 2p ) 2 (p 2p ) 4 (p 2p *) 2 b.o. = 2 O 2 + : (s 2s ) 2 (s 2s *) 2 (s 2p ) 2 (p 2p ) 4 (p 2p *) 1 b.o. = 2.5 O 2- : (s 2s ) 2 (s 2s *) 2 (s 2p ) 2 (p 2p ) 4 (p 2p *) 3 b.o. = 1.5
분자오비탈이론 이핵이원자분자 NO Lewis 구조 우세 2 중결합 MO Theory b.o. = 2.5