화학결합II: 분자기하구조와...

2016년도 1학기 일반화학(1) 제10장 화학 결합 II: 분자 기하 구조와 원자 궤도함수의 혼성화 1

10.1 분자의 기하 구조10.2 쌍극자 모멘트10.3 원자가 결합 이론10.4 원자 궤도함수의 혼성화10.5 이중 결합, 삼중 결합을 포함하는

분자의 혼성화10.6 분자 궤도함수 이론10.7 분자 궤도함수의 전자 배치10.8 비편재화된 분자 궤도함수

화학결합 II: 분자 기하 구조와원자 궤도함수의 혼성화

Prof. Sang Kuk LeeDepartment of ChemistryPusan National University

9장에서 화학결합을 점(dot)과 8전자 규칙(octet rule)의 단순한 이론으로 설명하였으나, 부족한

부분이 많다. 여기서는 다른 이론을 배운다.

마지막 장


10.1 분자의기하구조원자가껍질 전자쌍 반발 모형(Valence shell electron pair repulsion (VSEPR) model)

전자쌍간의 정전기적 반발로 중심 원자 주위에 있는전자쌍의 기하학적 배열을 설명

AB2 2 0

분류

중심 원자에결합된 원자수

중심 원자의비공유

전자쌍수 전자쌍의 배열분자의

기하 구조

선형 선형

B B분자는 다양한 구조를 가지고 있으나8전자 규칙으로는 설명이 불가하다.

전자쌍과 구조와의 관계는?


AB2: 염화 베릴륨(BeCl2)

AB3: 삼플루오린화 붕소(BF3)

중심 원자에 비공유 전자쌍이 없는 분자들

중심에 비공유전자쌍이 없다.

2개가 연결된경우

직선구조가가장 안정하다.

3개가 연결된 경우삼각구조가 가장 안정하다.


AB4: 메테인(CH4)

AB5: 오염화인(PCl5)

4개가 연결된 경우 4면체구조가 가장 안정하다.

5개가 연결된 경우 삼각이중피라미드(삼각쌍뿔)구조가 가장

안정하다.


AB6: 육플루오린화 황(SF6)

6개가 연결된 경우 정8면체구조가 가장 안정하다.


중심 원자에 한 개 이상의 고립 전자쌍이 있는 분자들

AB2E: 이산화 황(SO2)

AB3E: 암모니아(NH3)

AB4E: 사플루오린화 황 (SF4)

AB2E2: 물(H2O)

고립전자쌍이 존재하는경우이다. 왜 물은 2개의결합인데 굽은 구조일까?

고립전자쌍


결합쌍과 고립쌍의 상대적인 크기

결합각결합각의 변화로서 고립전자쌍

개수로서 설명된다.


4개의 전자쌍이 존재한다. 이 중에서 1개는 고립

전자쌍이다.


4개의 전자쌍, 2개는고립전자쌍이다.

4개 모두 결합전자쌍으로동등하다.


가장 흥미 있는구조이다.

중심원자가 5개 전자쌍을가진다.

2중 결합은 1개의 쌍으로취급한다. 따라서 탄소 주위에

3개의 전자쌍이 있다.


10.2 쌍극자모멘트

Q : 전하

r : 두 전하 사이의 거리

1 D = 3.36 x 10-30 C m

쌍극자 모멘트(dipole moment, μ):

전하량 Q와 전하 사이의 거리 r의 곱. 단위: D (Debye)

분자의 전기적 성질은 쌍극자 모멘트로서설명된다. 이것은 벡터(vector)의 성질을가진다. 벡터는 크기와 방향을 가진다.

Debye 단위를 많이 사용한다.


쌍극자 모멘트의 크기가 0 이 아닌 분자를 극성분자라고 부른다.


극성 분자의 행동

비극성 분자는 전기장에 의해 영향을 받지 않는다.

외부 전기장이 없을 때 외부 전기장이 있을 때

분자는 질서 있는배열을 한다.

무질서한배열을 한다.


비극성 분자와 극성 분자

결과적인쌍극자 모멘트= 1.46 D

결과적인쌍극자 모멘트= 0.24 D

선형 분자(쌍극자 모멘트 없음)

쌍극자 모멘트는 벡터의 성질을 가지므로 대칭성에 따라 전체의 크기가달라진다. 각각의 크기가 0 이 아닌 경우에도 그 합은 대칭성 때문에 0

가 될 수 있다.

벡터 합


전자 밀도가Cl 원자 쪽으로

이동.

전자 밀도가대칭적으로

분배

결합 모멘트는서로 상쇄되지못하여 극성

결합모멘트는 서로상쇄되어 비극성

시스-다이클로로에틸렌 = 1.89 D

트랜스-다이클로로에틸렌 = 0

결과적인쌍극자모멘트

비극성 분자와 극성 분자시스는 극성, 트랜스는

비극성 분자이다. 비극성이다.


평면상에 있다면 비극성이다. 그러나 이 분자의 구조는

사면체이므로 그 합은 0 이 아니다.


생 활 속 의 화 학

마이크로파 오븐 – 쌍극자 모멘트의 적용

마이크로파 오븐

마이크로파의 전기장 성분과극성 분자 사이의 상호작용

마이크로파는 왜 물을 데울 수 있을까?

분자를 회전시킨다. 회전시에마찰력이 생기고 열이

발생한다.

사용하는 진동수가 물 분자에적합하도록 되어 있다.


10.3 원자가 결합 이론

원자가 결합(valence bond, VB) 이론:

분자 안에서 전자는 각 원자의 원자 궤도함수를 차지하고있다고 가정.

분자의 공유 결합 형성과 전자 구조를 설명하는 데 사용.

최외각에 있는 전자(원자가 전자)만이 결합에 참여한다는이론이다. 결합의 동질성을 설명하기 위하여 promotion과

mixing에 의하여 hybrid 결합이 만들어진다.

루이스(Lewis) 이론은 이론이라기 보다는 방법이다. 이 이론은진정한 이론이다. 실험치와 비교하면 아직도 제한적이다.


분리 정도에 따른 두 수소 원자의 퍼텐셜 에너지 변화

H2 분자는최소한의 퍼텐셜 에너지에서가장 안정한 상태에 있음.

결합 길이: 74 pm 둥근 구: 1s 궤도함수가장 안정하다

접근함에 따라 인력과 반발력이동시에 작용한다. 그림은 이들의

합이다.


두 개의 수소 원자가서로 접근함에 따라그들의 1s 궤도함수가 상호작용을시작하여각 전자는 다른 양성자의 끌림을느끼기 시작.

점차적으로두 핵 사이 지역에전자 밀도가 증가(빨간색).

궁극적으로핵간 거리가 74 pm일 때안정한 H2 분자가형성.

두 수소 원자가 접근함에 따른 전자 밀도의 증가

결합을 유지하기 위해서는 중간 지점에서밀도가 증가 해야한다.

증가되는 부분


10.4 원자궤도함수의혼성화

sp3 혼성화: CH4 분자의 경우

탄소 sp3 혼성 궤도함수와수소 1s 궤도함수 사이에4개의 결합을 형성

CH4

2개가 결합이가능하다. 실제는 4개의 동등한

결합으로 구성한다.

P-궤도가 결합하면 결합각은90o, 그러나 분자는 109o

이다. 혼성화 개념이 나온다.

4개의 결합이가능하다.


sp3 혼성 궤도함수의 형성

1개의 s 전자와 3개의 p 전자가혼합된다.

결합각은 109o 이다.


sp2 혼성화: BF3 분자의 경우

붕소의 sp2 혼성 궤도함수는플루오린의 2p 궤도함수와중첩.

평면형FBF 각은 120o

BF3

1개의 s 전자와 2개의 p 전자가혼합된다.



sp2 혼성 궤도함수의 형성

평면 삼각구조를 가진다.


sp 혼성화: BeCl2 분자의 경우

두 sp 혼성 궤도함수는두 개의 염소 3p 궤도함수와겹쳐져서 두개의공유결합을 형성

선형Cl-B-Cl각은 180o

BeCl2

동등한 2개의결합을 형성한다



sp 혼성 궤도함수의 형성

선형구조이다.


d 궤도가 포함된다.

d 궤도가 포함된다.


결합을 하려면 궤도에전자가 1개 있어야 한다.


Al 원자궤도로서 1개만이결합할 수 있다.


3개의 결합을 만들기위하여

동등한 3개의 결합을만들기 위하여


3개의 결합이 가능하며결합각은 90o 이다.

실제분자는 109o에 근접한결합각을 가지므로 혼성이

필요하다.


s, p, d 궤도함수의 혼성화: SF6의 경우

SF6

d 궤도를 이용한다.

동등한 결합을유지한다.

6개의 결합이필요하다.

S 원자궤도

전자의궤도 이동

혼성화


5개의 결합이다.

중심원자는 3개의결합이 가능하다.


5개를 만들기 위해혼성이 필요하다.

동등한 결합이다.


10.5 이중, 삼중결합을포함하는분자의혼성화

탄소 원자의 sp2 혼성화

이중, 삼중결합은 다른 종류의 결합으로 구성한다.이들 중에서 한 개는 σ결합이며, 다른 것들은 π결합이다.

π 결합은 p 궤도의 결합으로 만들어진다.

2중 결합의 각각은 다른 특성을가진다.


에틸렌(C2H4)에서의 결합

sp2 궤도와 남아 있는 p 궤도로 만들어진다. sp2 궤도는σ 결합을 형성하고 p 궤도는 π 결합을 만든다.


탄소 원자의 sp 혼성화

C2H4 분자에서의파이 결합

(원자 여섯 개는모두 동일 평면에

있음)

C2H4의 정전기 퍼텐셜 지도

sp2 궤도는 σ 결합을 형성하고 p 궤도는π 결합을 만든다.


아세틸렌(C2H2)에서의 결합


폼알데하이드(formaldehyde) 분자의 결합

폼알데하이드(HCHO)

탄소는 sp2 혼성궤도산소도 같은

혼성궤도이다.


탄소는 4개의 결합을산소는 2개의 결합을

한다.


10.6 분자궤도함수이론분자 궤도함수 이론:

결합하는 원자의원자 궤도함수 상호작용의결과로 나옴.분자 전체와 관련이 있음

산소 분자: 상자기성

액체 산소가 자석의 두 극사이에 잡혀있음

모든 전자쌍은짝을 이룸반자기성

차원이 높다.

모든 전자가 결합에 참여한다.

앞의 이론으로산소분자를설명하면

반자기성이다. 그러나 산소분자는

상자기성이다.


결합과 반결합 분자 궤도함수의 에너지 준위

결합성 분자 궤도함수(bonding molecular orbital) :

그것을 만든 원자 궤도함수보다 에너지가 낮고 더 안정.

반결합성 분자 궤도함수(antibonding molecular orbital) :

그것을 만든 원자 궤도함수보다 에너지가 높고 불안정.

H2 H2

원자궤도가 결합하면 에너지가 낮은 결합성 분자 궤도와에너지가 높은 반결합성 분자궤도를 형성한다.


10.7 분자궤도함수전자배치1. 형성된 분자 궤도함수의 수는 항상 결합하는 원자

궤도함수의 수와 같다.

2. 결합성 분자 궤도함수가 안정해질수록 대응되는 반결합성분자 궤도함수는 더욱 불안정해진다.

3. 분자 궤도함수는 낮은 에너지부터 높은 에너지로 채워진다.

4. 각각의 분자 궤도함수에는 반대 스핀을 가진 두전자까지만 수용할 수 있다.

5. 동일한 에너지의 분자 궤도함수에 전자가 첨가될 때훈트의 규칙으로 예측된다.

6. 분자 궤도함수 내의 전자의 수는 결합하는 원자에 있는 총전자수의 합과 같다.


두 개의 동등한 p 궤도함수 사이의 두 개의 가능한 상호작용과그에 상응하는 분자 궤도함수

전자밀도모양

P-원자궤도 함수는 결합하는방식에 따라 다른 분자궤도를

만든다.

시그마결합

파이결합


결합 차수 ½ 1 0½

결합 차수 = 1

2

결합성MO에 있는

전자수

반결합성MO에 있는

전자수( - )

결합성 궤도에 채원진 전자는 결합을 유지하는 반면에반결합성 궤도에 채워진 전자는 반대이다.

튼튼하게 약하게

결합이불가능하다.


2주기의 동핵 이원자 분자

Li2, Be2, B2, C2, N2의 일반적인 분자 궤도함수 에너지 준위 도표

이들 사이는 에너지가비슷하여 바뀔 수 있다.


이 표로부터 동핵 이원자 분자의 모든 성질을 설명할 수 있다. 여기에는 결합의 세기와 자기성도 포함한다.


전자수에 따라 결합의 세기와 자기성이 달라지는가를설명할 수 있다.

시험 문제로 가능성이 높은 문제이다.


질소분자의 전자배치로부터 필요한 모든 정보를 얻을 수 있다.


비편재화 분자 궤도함수(Delocalized molecular orbitals) :

인접한 두 결합성 원자 사이에 한정되지 않고실제로 셋 이상의 원자로 넓혀짐.

벤젠(C6H6)π 전자가 전체 영역에 걸쳐서 퍼져 있다. 이것은

분자를 안정화시킨다.

벤젠에서 6개의비편재화분자 궤도함수


벤젠의 정전기 퍼텐셜 지도

분자 평면 위아래로 전자 밀도를 보여줌.

벤젠


탄산 이온(CO32-)에서의 결합

벤젠과는 약간 다른 형태이지만역시 비편재화되어 있다.


생 활 속 의 화 학

버키볼(Buckyball)이란?

버키볼C60과 축구공

버키튜브

흑연

그래핀

분자 전체에 퍼져있다. 비편재화

영역이 넓을수록안정하다.

화학결합II: 분자기하구조와...

Documents

Transcript of 화학결합II: 분자기하구조와...