#4 혼성오비탈

[서문]

안녕하세요 정리장 입니다.
다음의 글은 대학교 (일반 화학/생물) 과학을 다루고 있습니다. (대학과학은 고등학교 2과정과 비슷합니다)
이 링크의 글을 먼저 읽어보시면 이해하시기 수월할껍니다.

http://schrodingerpiano.tistory.com/notice/11 

[본문]

몇마디 덧붙이자면, 화학에서 이미 몇 개의 글을 써버린 관계로 양자화학이 끝난 후에야 쌍극자 모멘트, 기/액/고체 등의 파트를 넣을 수 있을 것 같다.(이미 써놓았으나 올리지 못함)

그리고 이번 글은 전글과 전전글에 대한 내용이 없으면 이해가 안되니 주의할 것(시그마/파이 결합, VSEPR과 입체수)

1. 혼성화
다른말로 혼성 오비탈. 입체수에 따라 결정되는 요인이다. 이를 이해하기 위해 베릴륨(Be)이 결합하는 방법을 알아볼 필요가 있다.
이래봬도 꽤나 안정한 원자라 할 수 있다.
1s, 2s 오비탈을 가지고 있다. 결합을 하려면 어떻게 해야 하는가? 이미 두개의 오비탈은 꽉 차있다. 2p 오비탈이 등장해야 하는 것이다. 이때 베릴륨은 2s의 전자 하나를 2p 오비탈로 이동시킨다. 에너지를 흡수해서 들뜸상태로 만드는 것 이다.

이런 분자는 어떻게 생성이 되는가? 분명 하나의 Cl은 s오비탈과 결합을 하고, 또 하나의 Cl은 p오비탈과 결합을 할 것이다. 하지만 실제 결합길이를 측정해보니 두 결합의 길이가 모두 같다는(같은 에너지 준위를 가진다는) 것 이었다. 그래서 이 결과를 설명하기 위해 도입한 것이 혼성 오비탈이라는 개념이다. 그럼 어떻게 된거냐, s오비탈에 홀전자 하나와 p오비탈에 홀전자 하나가 존재하고 있었으므로 이 두개가 sp 혼성오비탈이라는 개념으로 재탄생한 것 이다. 결국 혼성오비탈 이라는 것은 기존의 오비탈 두개를 가지고 새로운 오비탈 2개를 만드는 것이다. 따라서 sp 혼성오비탈이 생기기 전에 있던 s와 p오비탈은 혼성오비탈이 생성되면서 사라지게 된다.

요약: 혼성오비탈은 기존의 오비탈 2개를 가지고 새로운 오비탈 2개를 만드는 것이다.

그럼 혼성을 왜 할까? 전자간의 반발을 줄이기 위해서다. 에너지 준위가 높아진다는 말은 반발력이 세진다는 말과 같다. 

대략적으로 퍼텐셜 에너지는 이러한 구조를 가지며 에너지 준위가 가장 낮은 A에서 결합을 형성한다. 근데 각각의 s 오비탈과 p 오비탈이 온전하게 결합하게 되면 두 쪽의 결합길이가 같아지지 않게 되며 이는 결합에너지가 최소가 아님을 뜻한다. 이래서 분자들이 혼성오비탈을 통해 결합을 하는 것이다.
결과를 설명하기 위해 도입된 (사실은 CH4 분자가 어떻게 결합하는지 설명하기 위해 도입된 이론이다) 이론인 만큼 어느정도 예외는 존재하며, 어디까지나 법칙이 아니다. 따라서 2, 3주기만 대부분 혼성오비탈을 형성하고, 4주기 이상은 그렇지 않다. 이는 VSEPR에 의해 결정된다.

혼성오비탈의 종류도 있다. 다음 표를 살펴보자.

SN	2	3	4	5	6	7	8
혼성	sp	sp^2	sp^3	sp^3d	sp^3d^2	sp^3d^3	sp^3d^4

뭐 이렇게 되는데, 생각해보면 2, 3주기만 대부분 결합하니, s와 p오비탈까지만 포함하고 있는 2주기 원소들과 약간의 3주기 원소들만 포함하면 사실상 입체수가 5~6까지만 혼성오비탈을 형성하게 된다는 것이다. 7 이후로는 혼성따윈 필요 없다.
VSEPR에 의해 결정된다고 했는데 좀더 자세히 짚어보자.
1s 2s 2p 3s 3p 3d 등등등 있을텐데... 1s, 2s 3s 4s 등 숫자가 올라갈 수록 오비탈의 크기는 커진다. 전자는 렙톤계열 소립자이기 때문에 공간을 차지하고, 이 때문에 반발력을 형성하는데... 2s 2p와 2s 2p가 결합하는 것과 5s 5p와 5s 5p가 결합하는 것이랑 반발력의 차이는 확연하게 나타나고, 결과적으로 오비탈의 크기가 커질 수록 반발력은 감소하는 것이다. 혼성 이유는 전자간 반발을 줄이려고 하는 것인데, 반발력이 감소해 버리니 그럴 필요가 사라진거다. 그래서 혼성 오비탈을 형성하지 않는거다.

요약: 2, 3주기만 대부분 혼성오비탈을 형성하고, 4주기 이상은 그렇지 않다. 이는 VSEPR에 의해 결정된다.

y축을 에너지 준위라 하면 혼성오비탈의 에너지 준위는 대략적으로 이렇게 된다.

아 맞다. 혼성오비탈로 결합했을때 이렇게 나타난다.

익숙한 그림일꺼다. 하나더

잉? 뭔가 다르다. 파이결합은 90도로 나타난다!
각각의 오비탈들은 분자간의 반발력을 최소화하기 위해 그려진다. 따라서 이러한 모형이 나타날 수 있는 것이다.

끝

오늘 알게 된건데 사이트 인지도가 높아지려면 타 사이트에서 소개되야 한다는 것을 보고 출처를 남긴다.

사진 출처: http://ywpop.tistory.com/2639

http://blog.naver.com/applepop/220981703543