분자의 극성/무극성은?

-1-

General Chemistry I (Chapter 10‐1)

Chemical Bonding II (CH 10.1 – 10.2)

Tae Kyu Kim Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr)

http://plms.pusan.ac.kr

-2-

SUMMARY (CHAPTER 9)

분자의 모양은 어떻게 결정하는가?

분자의 루이스구조식으로 전자쌍반발 원리를 사용

Question?

분자의 극성/무극성은?

분자 내의 각 결합의 쌍극자 모멘트를 고려

Terminology

10.1

원자가껍질 – valence shell

전자쌍반발원리 – valence‐shell electron‐pair repulsion

10.2

쌍극자모멘트 – dipole moment 극성분자 – polar molecule

비(무)극성분자 – nonpolar molecule

-5-

Molecular Structure: VSEPR Model

A. Valence shell electron‐pair repulsion (VSEPR) model 

원자 주변의 결합 전자쌍과 고립 전자쌍들이 가능한 한 멀리 위치하여 전자쌍 반발을 최소화하는 방식으로 중심 원자 주위 의 구조가 결정됨

베릴륨 원자의 두 개 전자쌍이 서로 반대쪽에 위치해서 180°의 각을 가질 때, 반발력이 최소

-6-

VSEPR 

Model ^선형

평면삼각형

사면체형

삼각쌍뿔형

팔면체형

Molecular Structure: VSEPR Model

전자쌍: 삼각쌍뿔 분자 구조: 삼각쌍뿔

전자쌍: 사면체 배열 분자 구조: 사면체

전자쌍: 팔면체 배열 분자 구조: 팔면체

Molecular Structure: VSEPR Model

-9-

결합 전자쌍은 두 원자핵 사이에 공유되나, 고립 전자 쌍은 한 원자핵에만 편재되어 한 원자핵에만 근접하게 존재하여 그 원자 주위에 더욱 많은 공간을 차지 고립 전자쌍은 결합 전자쌍 보다 더 많은 공간을 요구하 고, 결합 전자쌍 사이의 각을 작게 하는 경향이 있음

Molecular Structure: VSEPR Model

-10-

(a)의 구조: 고립 전자쌍-고립 전자쌍의 각이 90°, (b)의 구조: 고립 전자쌍-고립 전자쌍의 각이 180°

고립 전자쌍이 결합 전자쌍보다 더 넓은 공간을 요구

→ (a) 구조 보다 (b) 구조가 적절

전자쌍의 배열: 팔면체, 분자의 구조: 사각 평면

Molecular Structure: VSEPR Model

VSEPR Model VSEPR Model

-13-

B. VSEPR 모형과 다중 결합

NO₃^-이온의 구조는 삼각 평면형

이중결합은 하나의 결합 전자쌍과 동일하게 작용

∵이중 결합에 포함된 두 개의 전자쌍은 독립된 전자쌍 이 아님 => 이중 결합은 다른 전자쌍을 반발하는 전자 밀도의 한 덩어리로 작용

다중 결합은 하나의 전자쌍으로 고려

Molecular Structure: VSEPR Model

-14-

C. 중심원자가 한 개 이상인 분자들

C 주위의 원자와 결합 전자쌍의 배열

O 주위의 결합 전자쌍과 고립 전자쌍의 배열

분자 구조

Molecular Structure: VSEPR Model

Molecular Structure: VSEPR Model Example 10.1

-17-

Dipole Moment

A. Dipole Moment (쌍극자 모멘트)

극성분자의 경우 원자 사이의 전자밀도의 이동이 있음 (부분 음 /양전하)

→ 결합의 극성의 정량적인 정도를 쌍극자 모멘트로 나타냄

-18-

Dipole Moment

B. 다원자 분자의 쌍극자 모멘트

결합의 극성과 분자의 기하구조를 고려하여 극성/무극성 유무를 판단

Example 10.2

VSEPR Model Summary

&

Additional Problems

-21-

VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion)

(2,0) (3,0) (4,0)

(5,0) (6,0)

BASIC SHAPE (기본형태)

-22-

VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion)

(2,0):  ^선형

VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion)

(3,0):  평면삼각형

(3,1):  굽은형

VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion)

(4,0):  ^{(정)사면체} (3,1):  ^삼각뿔형

(2,2):  굽은형

-25-

(5,0):  삼각쌍뿔형

(4,1):  ^씨소형 (3,2):  ^T-형

(2,3):  직선형

-26-

(6,0):  ^정팔면체

(4,2):  평면(정)사각형

(5,1):  사각피라미드형

SUMMARY

MOLECULE EXAMPLES

-29-

MOLECULE EXAMPLES

-30-

-33- -34-

-37- -38-

분자의 구조 – VSEPR 모형

(1) 중심원자의 공유전자쌍 및 비공유전자쌍에 의해 결정

(2) (비공유전자쌍 사이 반발력) > (공유전자쌍 사이 반발력)

(3) 다중결합은 단일결합과 동일하게 고려

Summary (Chapter 10‐1)

분자의 극성/무극성은?

분자의 구조를 고려

→ 각 결합의 쌍극자 모멘트를 고려

→ 분자전체의 쌍극자 모멘트

-41-

General Chemistry I (Chapter 10‐2)

Chemical Bonding II (CH 10.3 – 10.5)

Tae Kyu Kim Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr)

http://plms.pusan.ac.kr

-42-

분자의 구조 – VSEPR  모형

Summary (Chapter 10‐1)

분자의 극성/무극성

원자가결합 이론이란?

화학결합은 각 원자의 원자 궤도함수의 중첩

Question?

혼성화 오비탈이란?

다원자분자의 기하구조를 고려한 원자가결합 이론

Terminology

10.3

원자가결합이론 – valence bond (VB) theory 분자궤도함수이론 – molecular orbital (MO) theory 중첩 ‐ overlap

10.4

혼성궤도함수 – hybrid orbital

혼성화 – hybridization

-45-

Valence Bond Theory

A. Valence bond theory (원자가결합이론) 

분자 안에서 전자는 각 원자의 궤도함수를 차지하고 있다고 가정 (c.f.) 분자궤도함수이론 → 원자 궤도함수에서 분자궤도함수의 형성

원자오비탈 사이의 중첩으로 결합의 안정성 설명

-46-

Hybridization of Atomic Orbital

A. Hybridization (혼성화)

결합을 위한 특정 원자 함수를 형성하기 위하여 원래의 원자 궤도함수들이 혼합되는 것

B. sp³ hybridization

메테인 (CH₄) 분자에서 C가 H와 결합할 때 각각의 2s와 2p를 사용

C의 3개의 2p는 서로 직각 → 이들이 C-H 결합을 형성하면 결합각이 90°가 되어야 하지만 실제 메테인의 결합각은 109.5°

C의 2p와 H의 1s 사이의 중첩에 의한 3개의 결합과 C의 2s와 H의 1s 사이의 중첩에 의한 1개의 결합이 생기는 것을 설명할 수 없음

분자 형성 시 새로운 궤도함수 사용 원자가 전자만 고려

C의 1개의 2s와 3개의 2p가 합해져서 (혼성하여) 4개의 새로운 sp³혼성궤도함수를 만듬: sp³혼성화(sp³ hybridization)

사면체 혼성화 배열

Hybridization of Atomic Orbital

사면체 배열을 하고 있는 C의 4개의 sp³는 H의 1s와 전자쌍을 공유하여 4 개의 동등한 C-H 결합을 형성

어떤 원자가 사면체 구조를 가진 원자 궤도함수 를 필요할 때는 언제나 sp³궤도함수를 만듬: 즉 원자는 sp³혼성화를 이루어 sp³혼성 궤도함수 (hybrid orbital)를 만듬

Hybridization of Atomic Orbital

-49-

C. sp²hybridization

분자 구조: 120° 결합각 갖는 평면삼각형

C의 1개의 2s와 2개의 2p가 합해져서 (혼성하여) 3개의 새로운 sp²혼성궤도함수를 만듬: sp²혼성화 (sp² hybridization)

혼성화 평면삼각형

배열

Hybridization of Atomic Orbital

-50-

Hybridization of Atomic Orbital

Hybridization of Atomic Orbital

D. sp hybridization

분자 구조: 180° 결합각 갖는 선형

Hybridization of Atomic Orbital

-53-

Hybridization of Atomic Orbital

-54-

D. sp³d hybridization

Hybridization of Atomic Orbital

E. sp³d²hybridization

Hybridization (Summary) Example 10.3

-57-

Example 10.5

-58-

원자가결합 이론이란?

결합은 원자의 원자 궤도함수의 중첩 (안정화)

Summary (Chapter 10‐2)

혼성화 오비탈이란?

전자쌍 2, 3, 4, 5, 6 → sp, sp

, sp

, sp

d, sp

d

혼성화

다중 결합을 가지는 분자의 혼성화

시그마 결합 → 결합 방향과 수평으로 오비탈 겹침 파이 결합 → 결합 방향과 수직으로 오비탈 겹침

General Chemistry I (Chapter 10‐3)

Chemical Bonding II (CH 10.6 – 10.8)

Tae Kyu Kim

Summary (Chapter 10‐2)

혼성화 오비탈이란?

다중 결합

-61-

Question?

분자 궤도함수란 무엇인가?

전자가 분자에 퍼져있는 궤도함수를 채운다고 가정, 그 궤도함수의 모양은 원자 궤도함수와 관련됨

두 궤도함수가 어떤 분자 궤도함수를 형성?

원자 궤도함수의 에너지보다 낮은 에너지와 높은 에너 지의 궤도함수 형성

어떤 결합 모형을 쓰는 것이 좋은가?

편재 전자 모형의 단순 + 분자 궤도함수 모형의 비편재 성질

-62-

Terminology

10.6

분자궤도함수이론 – molecular orbital (MO) theory 결합성 분자궤도함수 – bonding molecular orbital 반결합성 분자궤도함수 – antibonding molecular orbital 분자궤도함수 에너지 도표 – molecular orbital energy  diagram

10.7

결합차수 – bond order

동핵 이원자 분자 – homonuclear diatomic molecule 10.8

비편재화 분자궤도함수 – delocalized molecular orbital

Molecular Orbital Model

A. 편재 전자 모형의 문제점

1. 전자가 편재되어 있다고 잘못 가정함으로써 공명 개념을 도입 2. 홀전자(unpaired electron)를 가진 분자에 대해 설명 못함 3. 결합에너지에 대한 직접적인 정보를 주지 못함

B. 분자 궤도함수 모델 (molecular orbital (MO) model)

전자는 원자에서와 같이 전 분자에 퍼져 있는 궤도함수를 채 운다고 가정, 궤도함수의 모양은 원자 궤도함수로부터 출발 분자 궤도함수에 전자를 채울 때 스핀이 서로 반대가 되어야 함 분자 궤도함수의 제곱은 전자를 발견할 확률

예) 수소 분자 (H-H)

결합쌍이 비편재화되어 있다 가정

1. 두 MO의 전자 확률 분포는 두 핵을 통과하는 직선을 중심으로 퍼져 있음 전자 확률 분포가 가장 큰 곳은 MO₁은 두 핵 사이, MO₂는 두 핵의 반대쪽 이런 모양의 전자 분포를 시그마(δ) 결합,

즉, MO₁과 MO₂는 시그마 분자 궤도함수 2. 분자에서 전자는 분자 궤도함수에만 들어감

3. 두 H에서 나온 2개의 전자는 낮은 에너지 상태의 MO₁궤도함수를 차지

→ 결합이 일어남

결합성 분자 궤도함수(bonding MO): 원자 궤도함수보다 낮은 에너지 상태, 이 MO에 전자가 들어가면 분자를 형성하여 결 합을 만들려고 함

반결합성 분자 궤도함수

(antibonding MO): 원자 궤도

Molecular Orbital Model

-65-

4. 수소 분자의 결합성 MO의 모양을 보면 전자의 존재 확률이 가장 큰 곳은 핵 사이, 두 원자핵이 동시에 전자에 인력 미침 → 낮은 에너지 5. 반결합성은 *표시

6. 전자 배치 방식은

7. 각 MO에는 최대 2개 전자가 들어 갈 수 있고, 서로 반대 스핀 가짐 8. 원자 궤도함수(atomic orbital, AO)의 총수 = MO의 총수

Molecular Orbital Model

-66-

C. 결합 차수 (bond order)

결합 차수가 클수록 결합의 세기는 더 강함 수소 분자에서는

H₂^-이온에서는

He₂분자에서는

분자를 형성 못하고 원자 상태로 존재

Molecular Orbital Model

Homonuclear Diatomic Molecules

A. Li₂

Li 원자의 전자 배치: 1s²2s¹

Li 원자에서 1s 궤도함수의 크기는 2s보다 훨씬 작기에 1s 궤도 함수끼리는 중첩이 일어나지 않음

→ 원자의 원자가 궤도함수(valence orbital) 만이 MO에 기여 Li₂의 결합 차수는 Li₂는 안정한 분자

B. Be₂

Be₂의 결합차수는 (2-2)/2=0 Be₂는 2개의 베릴륨 원자보다 안 정하지 않으며 분자는 형성 않음

Be Be₂ Be

C. B₂

B의 원자가 전자 배치는 1s²2s²2p¹

1 1 2

Homonuclear Diatomic Molecules

-69-

결합성 및 반결합성 δ MO

결합성 및 반결합성 π MO B₂분자에 대한 가능한 분 자 궤도함수의 에너지 준위

하지만, B₂는 상자기성

Homonuclear Diatomic Molecules

-70-

D. Paramagnetism (상자기성)

상자기성(paramagnetism): 자기장에서 물질이 끌려가는 현상, 분자 내에 홀전자 가 있는 경우

반자기성(diamagnetism): 자기장에서 물질이 밀려나는 현상, 분자 내에 짝진 전자와 관련

홀전자와 짝진 전자를 모두 가진 물질은 상자기성 (∵반자기성 효과보다 상자기성 효과가 훨씬 더 강함)

p와 s 궤도함수의 섞임에 의하여 π_2p와 δ_2p의 에너지 준위가 바뀜

Homonuclear Diatomic Molecules

O₂나 F₂분자들에서 는 2s-2p MO의 섞임 현상이 줄어들어 π_2p 와 δ_2p의 에너지 준위 가 다시 바뀜

O₂는 상자기성. 편재 전자 모형으로는 반자 기성으로 잘못 예측되 나 분자궤도함수 모형 으로는 산소 분자의 상 자기성을 잘 예측

Homonuclear Diatomic Molecules

A. NO

주기율표에서 이웃한 원자들로 이루어진 이핵 이원자 분자 경우 는 원자의 성질이 매우 비슷하므로 동핵 이원자 분자에 썼던 MO 그림을 그대로 사용할 수 있음

NO의 원자가 전자는 11개 (N의 5개 + O의 6개)

NO 분자는 상자기성(실험 결과와 일치) 결합 차수는 (8-3)/2=2.5

Homonuclear Diatomic Molecules

-73-

B. HF

이원자 분자에서 두 원자가 아주 다르면 동핵 분자의 에너지 준위 그림은 더 이상 사용할 수 없음

H 전자 배치: 1s¹, F 전자 배치: 1s²2s²2p⁵

또한 δ 결합 분자 궤도함수에 들어가는 전자는 F의 2p 보다 더 낮은 에너지 F에서는 원자가 전자가 핵에 더 강하게 결합

→ F의 2p 전자가 H의 1s 전자 보다 더 낮은 에너지 가짐

Homonuclear Diatomic Molecules

-74-

Example 10.6

Delocalized Molecular Orbital

A. 편재 전자 모형 vs. 분자 궤도함수 모형

이상적인 결합 모형

= 편재 전자 모형의 단순함 + 분자 궤도함수 모형의 비편재 성질 공명의 개념을 필요로 하는 분자에서 δ 결합은 편재 전자 모형으 로, π 결합은 분자 궤도함수 모형으로 각각 설명 가능

O₃의 공명구조

벤젠의 공명구조

6개의 C-C 결합이 모두 동등하다는 사실을 편재 전자 모형으로 설명하기 위해서 공명 구조 이용

Delocalized Molecular Orbital

-77-

원자가결합 이론이란?

결합은 원자의 원자 궤도함수의 중첩 (안정화)

Summary (Chapter 10‐2)

혼성화 오비탈이란?

전자쌍 2, 3, 4, 5, 6 → sp, sp

, sp

, sp

d, sp

d

혼성화

다중 결합을 가지는 분자의 혼성화

시그마 결합 → 결합 방향과 수평으로 오비탈 겹침 파이 결합 → 결합 방향과 수직으로 오비탈 겹침

-78-

SUMMARY (CHAPTER 10)