마지막장 화학결합 II: 분자기하구조와 원자궤도함수의혼성화 10.1 분자의기하구조 10.2 쌍극자모멘트 10.3 원자가결합이론 10.4 원자궤도함수의혼성화 10.5 이중결합, 삼중결합을포함하는분자의혼성화 10.6 분자궤도함수이론 10.7 분자궤도함수의전자배치 10.8 비편재화된분자궤도함수 9 장에서화학결합을점 (dot) 과 8 전자규칙 (octet rule) 의단순한이론으로설명하였으나, 부족한부분이많다. 여기서는다른이론을배운다. Prof. Sang Kuk Lee Department of Chemistry Pusan National University 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 1
10.1 분자의기하구조 원자가껍질전자쌍반발모형 (Valence shell electron pair repulsion (VSEPR) model) 전자쌍간의정전기적반발로중심원자주위에있는전자쌍의기하학적배열을설명 분류 중심원자에결합된원자수 중심원자의비공유전자쌍수 전자쌍의배열 분자의기하구조 AB 2 2 0 선형 선형 분자는다양한구조를가지고있으나 8 전자규칙으로는설명이불가하다. 전자쌍과구조와의관계는? B B 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 2
중심원자에비공유전자쌍이없는분자들 AB 2 : 염화베릴륨 (BeCl 2 ) 중심에비공유전자쌍이없다. AB 3 : 삼플루오린화붕소 (BF 3 ) 2 개가연결된경우직선구조가가장안정하다. 3 개가연결된경우삼각구조가가장안정하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 3
AB 4 : 메테인 (CH 4 ) 4 개가연결된경우 4 면체구조가가장안정하다. AB 5 : 오염화인 (PCl 5 ) 5 개가연결된경우삼각이중피라미드 ( 삼각쌍뿔 ) 구조가가장안정하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 4
AB 6 : 육플루오린화황 (SF 6 ) 6 개가연결된경우정 8 면체구조가가장안정하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 5
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중심원자에한개이상의고립전자쌍이있는분자들 AB 2 E: 이산화황 (SO 2 ) 고립전자쌍 고립전자쌍이존재하는경우이다. 왜물은 2 개의결합인데굽은구조일까? AB 3 E: 암모니아 (NH 3 ) AB 2 E 2 : 물 (H 2 O) AB 4 E: 사플루오린화황 (SF 4 ) 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 8
결합쌍과고립쌍의상대적인크기 결합각 결합각의변화로서고립전자쌍개수로서설명된다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 9
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4 개의전자쌍이존재한다. 이중에서 1 개는고립전자쌍이다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 12
4 개의전자쌍, 2 개는고립전자쌍이다. 4 개모두결합전자쌍으로동등하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 13
가장흥미있는구조이다. 중심원자가 5 개전자쌍을가진다. 2 중결합은 1 개의쌍으로취급한다. 따라서탄소주위에 3 개의전자쌍이있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 14
10.2 쌍극자모멘트 쌍극자모멘트 (dipole moment, μ): 전하량 Q 와전하사이의거리 r 의곱. 단위 : D (Debye) 분자의전기적성질은쌍극자모멘트로서설명된다. 이것은벡터 (vector) 의성질을가진다. 벡터는크기와방향을가진다. Q : 전하 r : 두전하사이의거리 1 D = 3.36 x 10-30 C m Debye 단위를많이사용한다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 15
쌍극자모멘트의크기가 0 이아닌분자를극성분자라고부른다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 16
무질서한배열을한다. 극성분자의행동 분자는질서있는배열을한다. 외부전기장이없을때 외부전기장이있을때 비극성분자는전기장에의해영향을받지않는다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 17
비극성분자와극성분자 결과적인쌍극자모멘트 = 1.46 D 벡터합 선형분자 ( 쌍극자모멘트없음 ) 결과적인쌍극자모멘트 = 0.24 D 쌍극자모멘트는벡터의성질을가지므로대칭성에따라전체의크기가달라진다. 각각의크기가 0 이아닌경우에도그합은대칭성때문에 0 가될수있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 18
결과적인쌍극자모멘트 비극성분자와극성분자 시스는극성, 트랜스는비극성분자이다. 비극성이다. 시스 - 다이클로로에틸렌 = 1.89 D 트랜스 - 다이클로로에틸렌 = 0 결합모멘트는서로상쇄되지못하여극성 결합모멘트는서로상쇄되어비극성 전자밀도가 Cl 원자쪽으로이동. 전자밀도가대칭적으로분배 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 19
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평면상에있다면비극성이다. 그러나이분자의구조는사면체이므로그합은 0 이아니다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 21
생활속의 화학 마이크로파오븐 쌍극자모멘트의적용 분자를회전시킨다. 회전시에마찰력이생기고열이발생한다. 마이크로파는왜물을데울수있을까? 마이크로파오븐 사용하는진동수가물분자에적합하도록되어있다. 마이크로파의전기장성분과극성분자사이의상호작용 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 22
10.3 원자가결합이론 원자가결합 (valence bond, VB) 이론 : 분자안에서전자는각원자의원자궤도함수를차지하고있다고가정. 분자의공유결합형성과전자구조를설명하는데사용. 최외각에있는전자 ( 원자가전자 ) 만이결합에참여한다는이론이다. 결합의동질성을설명하기위하여 promotion 과 mixing 에의하여 hybrid 결합이만들어진다. 루이스 (Lewis) 이론은이론이라기보다는방법이다. 이이론은진정한이론이다. 실험치와비교하면아직도제한적이다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 23
분리정도에따른두수소원자의퍼텐셜에너지변화 접근함에따라인력과반발력이동시에작용한다. 그림은이들의합이다. H 2 분자는최소한의퍼텐셜에너지에서가장안정한상태에있음. 가장안정하다 결합길이 : 74 pm 둥근구 : 1s 궤도함수 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 24
두수소원자가접근함에따른전자밀도의증가 두개의수소원자가서로접근함에따라그들의 1s 궤도함수가상호작용을시작하여각전자는다른양성자의끌림을느끼기시작. 점차적으로두핵사이지역에전자밀도가증가 ( 빨간색 ). 증가되는부분 궁극적으로핵간거리가 74 pm일때안정한 H 2 분자가형성. 결합을유지하기위해서는중간지점에서밀도가증가해야한다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 25
10.4 원자궤도함수의혼성화 sp 3 혼성화 : CH 4 분자의경우 P- 궤도가결합하면결합각은 90 o, 그러나분자는 109 o 이다. 혼성화개념이나온다. 2 개가결합이가능하다. 4 개의결합이가능하다. 실제는 4 개의동등한결합으로구성한다. 탄소 sp 3 혼성궤도함수와수소 1s 궤도함수사이에 4 개의결합을형성 CH 4 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 26
sp 3 혼성궤도함수의형성 1 개의 s 전자와 3 개의 p 전자가혼합된다. 결합각은 109 o 이다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 27
sp 2 혼성화 : BF 3 분자의경우 1 개의 s 전자와 2 개의 p 전자가혼합된다. 붕소의 sp 2 혼성궤도함수는플루오린의 2p 궤도함수와중첩. 결합각은 120 평면형 o 이다. FBF 각은 120 o BF 3 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 28
sp 2 혼성궤도함수의형성 평면삼각구조를가진다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 29
sp 혼성화 : BeCl 2 분자의경우 BeCl 2 동등한 2 개의결합을형성한다 두 sp 혼성궤도함수는두개의염소 3p 궤도함수와겹쳐져서두개의공유결합을형성결합각은 180 o 이다. 선형 Cl-B-Cl각은 180 o 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 30
sp 혼성궤도함수의형성 선형구조이다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 31
2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 32
d 궤도가포함된다. d 궤도가포함된다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 33
결합을하려면궤도에전자가 1 개있어야한다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 34
Al 원자궤도로서 1 개만이결합할수있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 35
3 개의결합을만들기위하여 동등한 3 개의결합을만들기위하여 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 36
3 개의결합이가능하며결합각은 90 o 이다. 실제분자는 109 o 에근접한결합각을가지므로혼성이필요하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 37
s, p, d 궤도함수의혼성화 : SF 6 의경우 S 원자궤도 전자의궤도이동 6 개의결합이필요하다. SF 6 d 궤도를이용한다. 혼성화 동등한결합을유지한다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 38
5 개의결합이다. 중심원자는 3 개의결합이가능하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 39
5 개를만들기위해혼성이필요하다. 동등한결합이다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 40
10.5 이중, 삼중결합을포함하는분자의혼성화 이중, 삼중결합은다른종류의결합으로구성한다. 이들중에서한개는 σ 결합이며, 다른것들은 π 결합이다. π 결합은 p 궤도의결합으로만들어진다. 탄소원자의 sp 2 혼성화 2 중결합의각각은다른특성을가진다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 41
에틸렌 (C 2 H 4 ) 에서의결합 sp 2 궤도와남아있는 p 궤도로만들어진다. sp 2 궤도는 σ 결합을형성하고 p 궤도는 π 결합을만든다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 42
탄소원자의 sp 혼성화 sp 2 궤도는 σ 결합을형성하고 p 궤도는 π 결합을만든다. C 2 H 4 분자에서의파이결합 ( 원자여섯개는모두동일평면에있음 ) C 2 H 4 의정전기퍼텐셜지도 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 43
아세틸렌 (C 2 H 2 ) 에서의결합 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 44
폼알데하이드 (formaldehyde) 분자의결합 폼알데하이드 (HCHO) 탄소는 sp 2 혼성궤도산소도같은혼성궤도이다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 45
탄소는 4 개의결합을산소는 2 개의결합을한다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 46
2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 47
10.6 분자궤도함수이론 차원이높다. 분자궤도함수이론 : 결합하는원자의원자궤도함수상호작용의결과로나옴. 분자전체와관련이있음 모든전자가결합에참여한다. 모든전자쌍은짝을이룸반자기성 앞의이론으로산소분자를설명하면반자기성이다. 그러나산소분자는상자기성이다. 산소분자 : 상자기성 액체산소가자석의두극사이에잡혀있음 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 48
결합과반결합분자궤도함수의에너지준위 원자궤도가결합하면에너지가낮은결합성분자궤도와에너지가높은반결합성분자궤도를형성한다. H 2 H 2 결합성분자궤도함수 (bonding molecular orbital) : 그것을만든원자궤도함수보다에너지가낮고더안정. 반결합성분자궤도함수 (antibonding molecular orbital) : 그것을만든원자궤도함수보다에너지가높고불안정. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 49
10.7 분자궤도함수전자배치 1. 형성된분자궤도함수의수는항상결합하는원자궤도함수의수와같다. 2. 결합성분자궤도함수가안정해질수록대응되는반결합성분자궤도함수는더욱불안정해진다. 3. 분자궤도함수는낮은에너지부터높은에너지로채워진다. 4. 각각의분자궤도함수에는반대스핀을가진두전자까지만수용할수있다. 5. 동일한에너지의분자궤도함수에전자가첨가될때훈트의규칙으로예측된다. 6. 분자궤도함수내의전자의수는결합하는원자에있는총전자수의합과같다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 50
두개의동등한 p 궤도함수사이의두개의가능한상호작용과그에상응하는분자궤도함수 P- 원자궤도함수는결합하는방식에따라다른분자궤도를만든다. 전자밀도모양 시그마결합 파이결합 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 51
결합차수 = 1 2 ( - ) 결합성 MO에있는전자수 튼튼하게 반결합성 MO에있는전자수 약하게 결합성궤도에채원진전자는결합을유지하는반면에반결합성궤도에채워진전자는반대이다. 결합차수 ½ 1 ½ 0 결합이불가능하다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 52
2 주기의동핵이원자분자 Li 2, Be 2, B 2, C 2, N 2 의일반적인분자궤도함수에너지준위도표 이들사이는에너지가비슷하여바뀔수있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 53
이표로부터동핵이원자분자의모든성질을설명할수있다. 여기에는결합의세기와자기성도포함한다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 54
시험문제로가능성이높은문제이다. 전자수에따라결합의세기와자기성이달라지는가를설명할수있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 55
질소분자의전자배치로부터필요한모든정보를얻을수있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 56
비편재화분자궤도함수 (Delocalized molecular orbitals) : 인접한두결합성원자사이에한정되지않고실제로셋이상의원자로넓혀짐. 벤젠 (C 6 H 6 ) π 전자가전체영역에걸쳐서퍼져있다. 이것은분자를안정화시킨다. 벤젠에서 6 개의비편재화분자궤도함수 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 57
벤젠 벤젠의정전기퍼텐셜지도 분자평면위아래로전자밀도를보여줌. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 58
탄산이온 (CO 3 2- ) 에서의결합 벤젠과는약간다른형태이지만역시비편재화되어있다. 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 59
생활속의 화학 버키볼 (Buckyball) 이란? 버키볼 C 60 과축구공 분자전체에퍼져있다. 비편재화영역이넓을수록안정하다. 흑연 버키튜브 그래핀 2016 년도 1 학기일반화학 (1) 제 10 장화학결합 II: 분자기하구조와원자궤도함수의혼성화 60