• 검색 결과가 없습니다.

화 학 결 합

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "화 학 결 합"

Copied!
40
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

화 학 결 합

4

4.1 추론의 기술 : 안정한 전자구조 4.2 루이스(전자-점) 기호

4.3 나트륨과 염소의 반응

4.4 이온화합물에 대한 루이스 기호의 사용

4.5 2성분 이온화합물의 화학식과 이름 4.6 공유결합 : 공유된 전자쌍

4.7 불균등한 공유 : 극성 공유결합

4.8 다원자 분자 : 물, 암모니아, 메탄 4.9 다원자 이온

4.10 루이스 식을 쓰는 규칙

4.11 분자의 모양 : VSEPR 이론 4.12 모양과 설질

: 극성분자와 비극성분자

화학은 분자를 다루는 학문으로, 분자는 원자의 결합으로 만들어진다.

원자간에 어떤 형식으로 결합하는지를 살펴보자. 또한 분자의 모양이

(2)

결합 고리

화학결합(chemical bond) : 분자 내의 원자들과 이온 결정 내의 이온들을 결합 시키는 힘

화학구조와 결합의 결과

- 실온에서 물질이 고체, 액체, 기체일지를 결정

- 다리, 집과 많은 다른 구조물에 사용되는 물질의 접착력과 강도를 결정 - 액체가 (휘발유처럼) 가볍고 휘발성이 있을지 (엔진오일처럼) 무겁고

끈끈할지를 결정

- 화합물의 맛, 냄새, 약리활성을 결정

- 피부, 근육, 뼈, 이의 구조적 완전성을 결정

- 살아 있는 유기체에 대한 어떤 분자의 독성을 결정

(3)

4.1 추론의 기술 : 안정한 전자구조

추론의 기술

- 사실 : 헬륨, 네온, 아르곤 같은 불활성 기체는 안정하다.

이들은 거의 반응을 하지 않는다.

- 이론 : 불활성 기체의 불활성은 이들의 전자구조 때문이다.

헬륨을 제외하고 모든 불활성 기체는 최외각 껍질에 8개의 전자를 갖고 있다.

- 추론 : 불활성 기체처럼 되기 위해 전자구조를 바꿀 수 있는 다른 원소들은 전자 구조를 불활성 기체처럼 바꾸어서 반응성이 작아질 것이다.

추론의 예 1) 나트륨 원자

(4)

4.2 루이스(전자-점) 기호

루이스 기호

: 최외각 전자들을 점으로 표시



Na e

Na 1

 

  



  

 

Cl

e Cl 1

루이스 기호와 주기율표

주족원소의 최외각 전자수 = 족 수

(5)

예제 4.1 루이스 기호

표 4.1을 참고하지 말고 마그네슘, 산소, 인의 루이스 기호를 써라.

주기율표를 사용해도 좋다.

풀 이

마그네슘은 2A족, 산소는 6A족, 인은 5A족 루이스 기호는 2개, 6개, 5개의 점을 가짐

 

 

  

 

 

Mg O P

(6)

4.3 나트륨과 염소의 반응

나트륨의 특성

- 반응성이 매우 큰 금속 - 부드러움

- 공기 중의 산소와 빠르게 반응 - 물과 격렬히 반응 염소의 특성

- 초록색 및이 도는 노란색 기체 - 소독제로 주로 사용

- 눈과 코를 강하게 자극 - 1차 세계대전에 독가스로 사용 염화나트륨

- 흰색 결정의 소금

- 나트륨과 염소의 성질을 전혀 갖지 않음

그림 4.1 연한 은색 금속인 나트륨은 초록색 염소 기체와 반응하여 결정성 고체인 염화나트륨(소금)을 생성함

(7)

나트륨원자

: 전자 하나를 잃어서 완전히 채워진 최외각 껍질을 완성 염소원자

: 전자 하나를 얻어서 완전히 채워진 최외각 껍질을 완성

간단한 루이스 식 형태

 

  

 



  

 

Cl Na Cl

Na

나트륨과 염소의 반응: 이론

(8)

이온결합

이온결합(ionic bond) : 양이온과 음이온의 인력에 의한 결합

그림 4.2 염화나트륨 결정의 분자구조와 거시구조

(a) 각 Na+ 이온(보라색 공)은 6개의 Cl- 이온(녹색공)에 둘러싸이고 각 Cl- 이온은 6개의 Na+ 이온에 둘러싸인다.

(b) 이런 배열은 아주 많이 반복된다.

(c) Na+ Cl-의 반복되는 패턴은 거시세계에서 염화나트륨 결정으로 관찰된다.

(9)

명백히 다른 원자와 이온

- 복숭아(원자)와 복숭아씨(양이온)가 다르듯이 이온은 이온이 만들어진 원자와 다름

- 원자나 이온의 기호가 비슷해 보이지만 이들의 실체는 매우 다름

ex) 건강을 위해 사람들이 섭취하는 철과 칼슘은 철(Ⅱ)이온(Fe2+)과 칼슘이온(Ca2+)임

⇒ 철 못을 먹는다고 생각하지는 않을 것임. ex) 나트륨 섭취를 줄이라는 의사의 말은

나트륨 금속이 아니라

염화나트륨으로 Na+ 이온을 섭취하는 것이 너무 많다는 뜻임

- 이름은 비슷하지만 원자와 이온은 화학적으로 매우 다름

그림 4.3 사람의 몸에 유용한 철과 칼슘의 형태는 이온이며(보통 Fe2+ Ca2+) FeSO4 CaCO3 은 이온화합물로 섭취된다. 원소 형태(Fe와 Ca)는 같은 원소의 이 온 화합물과 매우 다르다.

(10)

4.4 루이스 기호의 사용 : 더 많은 이온 화합물

루이스 기호를 사용한 반응식의 예

ex 1) 칼륨이 염소와 반응하여 염화칼륨 생성

ex 2) 칼륨이 브롬과 반응하여 브롬화칼륨 생성

예제 4.2 이온 형성을 위한 전자 이동

불활성 기체 전자구조를 가진 이온을 형성하기 위하여 나트륨 원자에서 브롬 원자로 전자가 이동하는 것을 보이는 루이스 기호를 써라.

풀 이

 

  



  

 

Cl K Cl

K

 

  



  

 

Br K Br

K

 

  



  

 

Br Na Br

Na

(11)

루이스 기호를 사용한 반응식의 예

ex 3) 마그네슘이 산소와 반응하여 산화마그네슘 생성

ex 2) 칼륨이 산소와 반응하여 산화칼륨 생성

예제 4.3 이온 형성을 위한 전자 이동

불활성 기체 전자구조를 가진 이온을 형성하기 위하여 마그네슘 원자에서 질소 원자로 전자가 이동하는 것을 보이는 루이스 기호를 써라.

풀 이

 

 



  

 

Mg O Mg2 O 2

 

 



  

 

K O K K O 2

K

 

 

 



  

 

Mg 2 N 3 Mg2 2 N 3

3

(12)

8전자 규칙

8전자규칙(octet rule) : 원자들은 반응할 때 안정한 불활성 기체 전자구조를 띰 (예외, 헬륨은 2전자규칙 ⇒ 수소는 “2전자 규칙”을 띰)

그림 4.4 몇 가지 간단한 이온의 주기율표에서의 관계

전이원소(B족)는 다른 전하를 가진 한 가지 이상의 이온을 갖는다.

(13)
(14)

예제 4.4 전자 이동에 의한 화학식의 결정

나트륨과 황의 반응에 의하여 생성된 화합물의 화학식은 무엇인가?

풀 이

나트륨은 1A족 ⇒ 최외각 전자는 1개 황은 6A족 ⇒ 최외각 전자는 6개

따라서 황은 아르곤 전자구조가 되기 위해 2개의 전자가 필요

생성된 화합물 : 황화나트륨 (Na2S)

 

 



  

 

 2 2

2Na S Na S

(15)

4.5 2성분 이온 화합물의 화학식과 이름

양이온 이름

- 간단한 양이온(주족) : 원소 이름 + 이온

(ex. Na+ : 나트륨 이온, Mg2+ : 마그네슘 이온)

- 한 가지 이상의 이온형성(전이원소) : 원소이름 + (로마자로 전하) + 이온 (ex. Fe2+ : 철(Ⅱ) 이온, Fe3+ : 철(Ⅲ) 이온)

음이온 이름

- 원소이름 + 이온 [ 영어 이름 : 원소 이름의 끝을 –ide로 바꾸고 ion을 붙임 ] (ex. Cl- : 염소 이온(chloride ion), S2- : 황 이온(sulfide ion))

이온결합 화합물 이름

- 음이온(원소명+화) + 양이온(원소명)

(16)

예제 4.5 이온 전하로부터 화학식의 결정 다음 화합물의 화학식을 써라. (a) 염화칼슘 (b) 산화알루미늄 풀 이

(a) Ca2+ Cl- ⇒ CaCl2 (b) Al3+ O2- ⇒ Al2O3

예제 4.6 이온화합물의 명명

다음 화합물의 이름을 써라. (a) MgS (b) FeCl3 풀 이

(a) 황화 마그네슘(magnesium sulfide)

(b) 염화철(Ⅲ) [iron(Ⅲ) chloride 또는 ferric chloride]

(17)

4.6 공유결합 : 공유된 전자쌍

공유결합(covalent bond) : 전자쌍을 공유하여 생긴 결합 ex) 수소분자

ex) 염소분자

결합전자쌍(bonding pair) : 공유된 전자들

고립전자쌍(or 비결합전자쌍) : 한 원자에 있으면서 공유되지 않은 전자들

다중결합

다중결합 : 8전자 규칙을 따르기 위해 원자들이 한 쌍 이상의 전자를 공유 - 이중결합 : 두 원자가 두 쌍의 전자를 공유해서 생기는 공유결합

ex. CO2 O=C=O

H H H

H     

 



 

 

 

  

 

  

 

Cl Cl

Cl Cl

(18)

공유결합화합물의 명명법

공유결합화합물 ; 비금속 + 비금속

⇒ 각 원자들의 수를 포함하여 명명함

ex. N2O4 : 사산화이질소(dinitrogen tetroxide)

예제 4.7 공유결합화합물의 명명법

다음 화합물을 명명하라. (a) SCl2 (b) P4S3 풀 이

a. 이염화황(sulfur dichloride)

b. 삼황화사인(tetraphosphorus trisulfide)

예제 4.8 공유결합화합물의 화학식

육산화사인(tetraphhosphorus hexoxide)의 화학식을 써라.

풀 이

화학식 : P O

(19)

4.7 불균등한 공유 : 극성 공유결합

염화수소

수소와 염소가 반응하여 염화수소(hydrogen chloride) 생성 (H-Cl)

예제 4.9 루이스 구조로 공유결합 나타내기

다음 공유결합을 루이스 구조를 이용하여 나타내라.

(a) 불소 원자 사이의 공유결합 (b) 불소 원자와 수소 원자 사이의 공유결합 풀 이

a.

b.

 

 

 

  

 

Cl H Cl

H

 



 

 

 

  

 

  

 

F F F

F

 

 

 

  

 

F H F

H

결합전자쌍

결합전자쌍

(20)

전기음성도

전기음성도(electronegativity)

: 분자 내의 공유전자에 대한 한 원자의 인력을 측정한 값

- 극성 공유결합 : 공유결합의 전자들이 균등하게 공유되지 않았을 때의 결합 0.5 < 전기음성도의 차이 < 2 ( ex. HCl ⇒ 표기법 :

- 비극성 공유결합 : 공유결합의 전자들이 균등하게 공유

0 = 전기음성도의 차이 < 0.5 (ex. H2, Cl2 ) 그림 4.6 극성 염화수소 분자

(a) 공유전자쌍이 염소원자 가까이에 있는 전자-점 구조식.

δ+와 δ-는 부분적인 양전하와 부분적인 음전하를 나타낸다.

(b) 염화수소 분자에서 불균등 한 전자밀도를 보여주는 정전 기 전위지도

(21)

예제 4.10 루이스 구조로 공유결합 나타내기

그림 4.5의 자료를 이용하여 다음 원자들 사이의 결합이 비극성 공유결합인지 극성 공유결합인지 또는 이온결합인지를 써라.

(a) H, H (b) O, H (c) C, H

풀 이

a. 전기음성도의 차이 = 0 : 비극성 공유결합

b. 전기음성도의 차이 = 3.5 - 2.1 = 1.4 : 극성 공유결합 c. 전기음성도의 차이 = 2.5 - 2.1 = 0.4 : 비극성 공유결합

(22)

4.8 다원자 분자 : 물, 암모니아, 메탄

분자화합물의 화학식을 쉽게 쓸 수 있는 간단한 규칙(HONC 규칙) - 수소(H)는 1개의 결합을 갖는다.

- 산소(O)는 2개의 결합을 갖는다.

- 질소(N)는 3개의 결합을 갖는다.

- 탄소(C)는 4개의 결합을 갖는다

분자식 : H2O (수소와 산소가 결합하여 생성됨)

전자구조 : 네온의 구조를 가짐

결합 : 극성공유결합 (전기음성도의 차이 = 3.5 – 2.1 = 1.4) H O H or

H O H H

O  

 

 



  

 

2

(23)

암모니아

분자식 : NH3 (수소와 질소가 결합하여 생성됨)

전자구조 : 네온의 구조를 가짐

결합 : 극성공유결합 (전기음성도의 차이 = 3.0 – 2.1 = 0.9)

메탄

분자식 : CH4 (탄소와 수소가 결합하여 생성됨)

전자구조 : 네온의 구조를 가짐

결합 : 비극성공유결합 (전기음성도의 차이 = 2.5 – 2.1 = 0.4) H H

H N H or

H N H H

N         I

 

 

3

H H

H C H or

H C H H

C

H H

I

I

  

 

 

  

 

4

(24)

4.9 다원자 이온

다원자 이온 : 2개 이상의 공유결합을 한 원자를 가진 전하를 띤 입자

(25)

예제 4.11 다원자 이온을 이용한 화학식

황화암모늄(ammonium sulfide)의 화학식을 써라.

풀 이

화학식 : NH4+ S2- ⇒ (NH4)2S

예제 4.12 다원자 이온을 가진 화합물의 명명

다음을 명명하라. (a) NaCN (b) Fe(OH)2 풀 이

(a) 존재하는 이온은 나트륨 이온(Na+)와 시안화 이온(CN-)이므로 화합물은 시안화나트륨(sodium cyanide)

(b) 수산화철(Ⅱ) [ iron(Ⅱ) hydroxide ]

(26)

4.10 루이스 식을 쓰는 규칙

루이스 식을 쓰기 위한 분자들의 뼈대 구조

- 수소 원자는 하나의 결합만을 갖는다. ⇒ 항상 끝에 위치함

- 산소는 2개의 결합을 갖고, 질소는 3개의 결합, 탄소는 4개의 결합을 갖는다.

- 다원자 분자와 이온의 중심원자는 가장 전기음성도가 낮은 원자이다.

루이스 식을 쓰는 규칙

1. 최외각 전자의 총 수를 결정

2. 합리적인 뼈대구조를 그리고 원자들을 선으로 연결

3. 전자쌍을 (수소를 제외한) 각 원자가 8전자를 가지도록 원자 주위에 배치 4. 1단계에서 계산한 총 전자수에서 지금까지 사용한 전자수를 뺀 후 남아 있는

전자는 중심원자에 쌍으로 배치

5. 4단계에서도 중심원자가 8전자보다 작으면 다중결합이 가능

(27)

예제 4.13 루이스 식

다음 화합물에 대하여 루이스 식을 써라.

(a) 메탄올, CH3OH (b) BF4-이온 (c) 이산화탄소, CO2

풀 이

(a) 1단계 최외각 전자의 총수 = 4+(4×1)+6 = 14 2단계 뼈대구조

3단계 5개의 결합(10개 전자) 사용, 4개 전자 남음 ⇒ 산소에 위치시킴

 

H

H O C H

H

H

(28)

(b) 1단계 최외각 전자의 총수 = 3+(4×7)+1 = 32 2단계 뼈대구조

3단계 4개의 결합(8개 전자) 사용,

고립전자쌍은 불소 원자에 위치시킴

(c) 1단계 최외각 전자의 총수 = 4+(2×6) = 16 2단계 뼈대구조

3단계 2개의 결합(4개 전자) 사용, 각 산소원자에 3개의 전자쌍 위치시킴 총 16개의 전자를 사용하여 남은 전자가 없음

8전자를 이루기 위해서 2개의 이중결합이 필요 F

F B F F

 

F F B F

F

 

O  C O

(29)
(30)

그림 4.7 주기율표에서 공유결합을 하는 대표적인 원소들

- 특정한 원자들의 주기율표의 위치와 공유결합의 수의 관계

(31)

홀수 전자 분자 : 자유라디칼

자유라디칼 : 쌍을 이루지 않은 전자를 가진 원자나 분자 - 반응성이 매우 큼

- 화학반응에서 중간체로 잠시 존재 - 예) NO, NO2, ClO2

 

 

 NO     

  

O N O  

 

  

O Cl O

(32)

자유라디칼의 유용한 활용

- 일산화질소(NO) : 인간 심혈관계에서 신호 분자의 역할을 함 - 하이드록실 라디칼(·OH) : 몸 안에서 음식물의 산화 과정이나

방사선에 쪼였을 때 생성됨

⇒ 라디칼은 DNA와 빠르게 반응하기 때문에 암세포의 형성에 영향을 줌 - 폴리에틸렌과 폴리염화비닐(PVC)을 포함한 많은 플라스틱이

자유라디칼 개시반응을 이용해 만들어짐 - 자유라디칼 이산화염소

: 종이나 밀가루 같은 제품을 표백하는데 널리 사용됨

그림 이산화염소(ClO2)는 밀가루를 표백하는데 쓰 인다. 표백하지 않은 밀가루(왼쪽)와 표백한 밀가

(33)

4.11 분자의 모양 : VSEPR 이론

- Lewis 구조 : 2차원의 분자모양 - VSEPR 이론 : 3차원의 분자모양

- 분자모양 예측 : 분자의 성질을 결정하는데 중요함

최외각 전자쌍 반발(Valence Shell Electron Pair Repulsion, VSEPR) 이론 : 중심원자에 있는 전자쌍은 서로 반발을 최소화하는 방법으로 배열

기하학적 구조의 예 - 2개의 전자쌍

: 180˚ 각으로 중심원자의 반대편에 위치 - 3개의 전자쌍

: 120˚ 각을 이루며 정삼각형으로 배열 - 4개의 전자쌍

: 109.5˚ 각을 이루며 정사면체를 이룸

(34)

분자모양 결정 규칙

1. 결합전자쌍을 선으로 그린 Lewis 구조를 그린다. 고립전자쌍은 점으로 그린다.

2. 모양을 결정하기 위해서 중심원자에 결합한 원자와 고립전자쌍을 센다.

다중결합은 하나의 전자쌍으로 생각한다. ex)

3. 전자의 세트를 결정하고 전자의 세트를 결합전자쌍처럼 생각하여 모양을 그린다.

4. 전자쌍을 가장 멀리 떨어지게 모양을 그린다.

- 고립전자쌍이 없다면 이 모양이 분자의 모양이다.

- 고립전자쌍이 있다면 고립전자쌍을 지우고 결합전자쌍은 그대로 둔다.

(35)
(36)

예제 4.14 분자의 모양

다음 분자의 모양은 무엇인가?

(a) H2CO (b) SCl2

풀 이

a. 1단계 루이스 구조 b.

2단계 3개의 전자세트 4개의 전자세트

: 2개는 C-H의 단일결합, 1개는 C=O의 이중결합

3단계 정삼각형 모양 정사면체 모양

4단계 모든 전자 세트가 결합전자쌍 결합전자쌍 2, 고립전자쌍 2

H

O C H

 

 



 

 

Cl S Cl

(37)

4.12 모양과 성질 : 극성 분자와 비극성 분자

- 비극성 분자 : H2 or Cl2 ⇒ H-H or Cl-Cl - 극성분자 : HCl ⇒

메탄 : 정사면체 분자

- VSEPR 이론에 의해 결합각 109.5˚인 정사면체 - C-H 결합은 약한 극성은 전체적인 대칭에 의해

상쇄되어 비극성을 만듦

암모니아 : 피라미드 모양 분자

- N-H의 결합이 C-H의 결합보다 극성이 큼 (∵ N의 전기음성도값이 C보다 크기 때문)

- VSEPR 이론에 의해 결합각 109.5˚인 정사면체 예측 Cl

H or

Cl

H

그림 4.9 메탄 분자

그림 4.10 암모니아 분자

(38)

: 굽은 모양

- O-H(물분자)의 결합은 N-H(암모니아)의 결합보다 극성이 더 큼

(∵ O의 전기음성도값이 N보다 크기 때문) - VSEPR 이론에 의해

4개 전자쌍(2개의 결합쌍, 2개의 고립쌍)으로 109.5˚인 정사면체 예측

- 실제 104.5˚

(∵고립전자쌍은 결합전자쌍보다 더 넓은 부피를 차지) - 극성분자인 굽은 모양

그림 4.11 물 분자

(39)

화학용어

같은 화학 물질을 몇 가지 다른 표현으로 나타냄 ex) 암모니아

그림 4.12 암모니아 분자를 나타내는 여러 가지

(40)

4장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다 .

참조

관련 문서

• 같은 주기에서 원자번호가 증가할 수록 반지름이 작아진다... 그 사이에 있는 원소들은

어음은 자국통화를 일정 환율로 금과 바꿀 수 있는 나라에서 발행 하기 때문에 각국은 이 나라를 통해 화폐단위와 금의 등가관계를

[r]

다음은 돌턴 원자 모형으로부터 현대 원자 모형까지의 변천 과정을 나타낸 모식도와 여러 과학자의 원자

그런데 균일한 용액이 되는 것을 확인하면서 탄산 칼슘을 당량점까지 넣어 줬는데

Vygotsky)의 근접발달영역(ZPD)

그보다는 화학 반응식을 완성한 뒤 양적 관계를 계산할 때

• 이 순환적 전자 전달과 함께, 엽록체들은 스트로마 반응을 위해 서 필요한 추가의 ATP들을 만든다.... 비순환적 전자 전달과 순환적