[유기화학] 오비탈과 전자 배치이론. 화학 결합. 극성 비극성 공유결합. 쌍극자 모멘트

Ⅰ 원자 내의 전자 배치

[Atomic Orbitals(원자 오비탈)]

원자 내에 전자가 존재할 확률이 있는 공간. 특정한 에너지를 갖는 전자가 존재할 수 있는 위치를 나타낸다.
전자구름이라고도 한다. [일반화학 참조]

 

[양자수]

1. 주양자수(n) = 1,2,3… (K,L,M)
전자의 에너지 레벨을 나타낸다. 껍질(shell)을 구별. 오비탈의 크기 결정.
ex) 1s, 2s, 3s, 2p, 3p

 

2. 부양자수(l) = (s,p,d,f…)
전자 구름의 형태.
ex) 부양자수가 0이면 s orbital, 1이면 p orbital

 

3. 자기양자수(ml) = 오비탈의 방향성
ex) 부양자수 l= 0이면 ml= 0
구의 형태이므로 방향성 없음.
부양자수 l=1이면 ml= -1,0,-1
p 오비탈의 방향성을 나타냄.

 

4. 스핀양자수 = 전자의 스핀 방향
(↑ up =1/2, ↓ down = -1/2 )

 

 

[전자구름 형태]

 

s orbital, p orbital, d orbital, f orbital …

 

s orbital : 구의 형태.
1s orbital : 주양자수 n=1, 부양자수 l= 0
2s orbital : 주양자수 n=2, 부양자수 l= 0
전자 존재 확률이 없는 node가 존재한다.

 

p orbital : 아령 세개 붙어있는 모습.
2p orbital : 주양자수 n=2, 부양자수 l= 1
3p orbital : 주양자수 n=3 부양자수 l= 1

 

[전자배치 이론]

 

1.쌓음 원리 (Aufbau principle) : 전자는 에너지가 낮은 오비탈부터 채운다.
⇒ 원자핵과 가까운 오비탈일 수록 에너지가 작다. 또한 (n+l)의 규칙에 따라 채워지는 순서를 쉽게 알 수 있다.

 

⇒ 원자오비탈의 상대적인 에너지 크기

 

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p

 

 

 

2. 파울리 배타원리(Pauli exclusion principle) :하나의 오비탈에는 두 개의 전자스핀만 위치하고 둘은 서로 반대 스핀이어야한다.

 

⇒ 한 원자내에 모든 양자수가 같은 전자가 존재할 수는 없다. 즉 하나의 오비탈에 배치되는 두전자의 스핀방향은 반대가 되어야한다.

 

 

3. 훈트 규칙(Hund’s rule) : 같은 에너지 준위의 오비탈에서는 빈 오비탈부터 채운다.

 

⇒ 에너지 준위가 같은 다른 오비탈이 채워지기 전에 한 쌍이 채워지면 전자 간 반발이 크게 됨. 따라서 더 안정한 방식이 다른 오비탈부터 채우고 쌍을 이루는 것임 = 스핀 양자수의 합이 최대!

 

⇒  up 스핀부터 채운다. (예외도 있음)   

 

Ⅱ 화학 결합 

원자는 최외각 shell에 들어갈 수 있는 전자 수가 다 채워진 상태에서 가장 안정하다. (from octet rule)

따라서 원자는 주위 원자들이 존재하는 환경에서 전자를 잃거나 얻어서 옥텟규칙을 만족시키려는 경향이 있다.

 

 

 

[이온결합과 공유결합]

 

1. 이온결합 : 서로 반대되는 전하를 띠는 이온간의 인력으로 형성되는 화학결합.

 

2. 공유결합 : 전자 공유해서 다른 원자와 형성하는 화학결합. 극성과 비극성결합으로 나뉨.

 

 

[극성결합과 비극성(무극성) 결합]

 

비극성 결합 : H-H, O=O와 같이 같은 분자끼리의 결합의 경우, 전자를 균일하게 공유한다.

 

⇒ 같은 분자가 아니더라도 O=C=O 와 같이 극성 결합을 하지만 분자 자체는 비극성인 경우도 존재한다.

 
 

극성결합 : 공유되는 전자가 한 원자에 이끌리는 결합. 원자 간의 전기음성도 차이에 의해 나타난다. 

(전기음성도 : 전자를 끌어당기는 힘)

 

⇒ 전기음성도 차이 2.0 이내에서 일어난다. 이보다 크면 이온결합이 형성된다.

 

⇒ 결합하는 두 원자의 전기음성도 차이가 클수록 강한 극성을 갖게 된다. 전자는 전기음성도가 큰 원자 쪽으로 더 당겨진다.

 

[이미지] F 플루오린 기준 전기음성도의 상대값. 화살표 방향대로 전기음성도 커진다. 

 

⇒ 극성 결합으로 이루어진 극성 분자의 경우, 전기음성도가 더 큰 분자가 전자를 당겨온다. 전자가 치우쳐진 원자는 음전하를 더 갖게 된다. 이 상대적인 정도를 δ– 와 δ+ 로 표시한다.

 

 

 

 

⇒ 극성의 방향은 화살표로 나타낼 수 있다 + —> - 방향으로 나타냄. (쌍극자 모멘트)

 

 

 

[결합의 극성 비교]

C-H bonds는 상대적으로 비극성을 띤다. 두 원자 간의 전기음성도가 비슷하여 차이가 매우 낮음(0.4)

 

O-H bonds는 결합 차이가 1.4 이므로 C-H보다 훨씬 극성이다.

 

[쌍극자 모멘트 Dipole moment]

극성 결합에는 쌍극자(dipole)이 존재한다. 전기 음성도 차이에 의해 전자가 한쪽으로 치우치게 되고 양 끝에 부분 전하가 형성되어 양전하 음전하가 형성된다. 이 두 부분전하를 쌍극자라고 한다.

 

쌍극자 모멘트 = 결합의 전하크기 X 전하 간 거리

⇒ 단위는 debye(D)

⇒ 쌍극자 모멘트가 클수록 극성이 크다.

⇒ 쌍극자 모멘트는 벡터의 값으로 서로 상쇄되면 값이 0이 되고, 이는 비극성분자이다.
ex) O=C=O, CH4 극성 결합으로 존재하지만 쌍극자 모멘트가 0으로 비극성분자.