혼성 궤도함수와 분자 궤도함수, 구조식

지난 번 글에서는 유기화학에서의 간단한 역사와 혼성 궤도함수에 대해서 언급하였다

2016/03/12 - [유기화학] - 유기화학 입문, 역사와 혼성궤도함수

위 링크는 해당 글로 가는 링크이다

sp3 혼성 궤도함수까지 언급하였으므로 이제 sp2 혼성 궤도함수에 대해 언급할까 한다

sp2 혼성 궤도함수로 가장 유명한 것은 바로 ethylene 구조 이다

H2C-CH2 구조이다

3개의 Sp2 혼성 궤도함수(hybrid orbital) 혼성화되지 않은 1개의 2p 궤도함수가 존재하게 되어 p오비탈에 수직인 면을 만드는 sp2 가 3개로 각각 120도로 존재하게 된다

급하게 그림판으로 그려보았다

이런식으로 p오비탈을 y축을 생각하고, sp2 혼성 오비탈들은 xz평면이라고 생각하면 된다

따라서 sp2 혼성 오비탈들은 p오비탈과 수직관계를 가지고 있으며, xz평면에서 3개의 sp2 오비탈들은 서로 멀리 떨어지기 위해 120도를 가지게 된다

y축 위에서 보았을때의 시점이다

ethylene이 가지고 있던 서로 각각의 탄소가 만나게 된다면 sp2-sp2의 결합으로 강한 시그마 결합을 형성하게 된다

또한 시그마 결합 뿐만 아니라 측면에서의 파이결합(pi bond)를 형성하게 되므로 sp2-sp2 시그마 결합과 2p-2p 파이 결합은 4개의 공유 전자와 탄소간의 이중 결합을 형성하게 되었다

여기서 H-C-H 의 결합각은 117.4도, C-H의 결합 길이는 108.7pm에 결합세기는 464kJ/mol (111kcal/mol)을 가진다

또한 H-C-C의 결합각은 121.3도를 가지고 C-C 결합 길이는 133.9pm를 가지고 결합세기로 728KJ/mol(174kcal/mol)을 가진다

참고로 ethene의 C-C 결합길이는 154pm, 결합세게는 377KJ/mol 이다

C-C 이중결합은 두개의 전자가 아니라 4개의 전자가 원자핵을 서로 결합시키기에 결합 세기가 강하며 결합길이가 짧다고 할 수 있다

추가로 이중결합은 결합 반응성이 작기 때문에 안정적이라고 할 수 있다

또한, H-C-C가 121.3도로 H-C-H 결합각보다 대략 4도가량 큰데 이 이유는 지하철을 생각해보면 된다

당신이 지하철에 앉게 되었는데 옆사람이 매우 덩치가 큰 사람이 앉았다고 치자

그럼 당신의 몸은 당연히 밀리게 되어 있는데 이 이 이유와 같다

아세틸렌, sp의 혼성함수는 이와 비슷하다

이번엔 삼차원 공간에서 p 오비탈이 수직으로 y축과 z축에 존재하며

x축으로 sp 오비탈이 껴있다고 생각하면 된다

따라서 acetylene 분자를 형성할때 두개의 sp 혼성 궤도함수가 수소와 시그마 결합을 형성한다

따라서 하나의 시그마 결합, 두개의 파이결합을 형성하게 된다

sp3, sp2, sp 의 혼성 궤도함수의 비교로

결합길이는 sp3>sp2>sp 순이며, sp3는 단일결합, sp2는 이중결합, sp는 삼중결합을 형성한다

또한 결합세기 혹은 결합각은 sp3<sp2<sp 순으로 정렬된다

추가로 s분율, s 오비탈 분율이란 것이 있는데 이는 단지 sp(n) 에서 1/n+1 값을 알면 된다

sp3 일 경우, 1/3+1 = 0.25로 계산된다

분자궤도함수로 넘어와 분자궤도함수를 설명하자면, 분자궤도함수는 MO, Molecular orbital 이라 하며 공유결합 형성 속에서 각각의 원자들만의 원자 궤도함수들의 조합이다

따라서 분자에서 전자를 발견하기 가장 쉬운 공간의 영역을 설명한다는 뜻이다

위에 명시된 Diene, EDG 등등은 무시하고 LUMO와 HOMO만 알면 된다

HOMO는 전자가 찬 오비탈중 가장 에너지가 큰 궤도를 말하며, LUMO는 그 바로 위인, 전자가 안찬 오비탈중 가장 낮은 오비탈을 이야기 한다

노드가 많아지면 많아질수록 에너지가 상승하므로 그 정도만 알고 넘어가면 된다

화학 구조는 대략 축소 구조식(Condensed structure)과 골격 구조식(skeletal structure) 이 있다

이런 표현방법을 축소 구조식이라고 한다

이런 구조를 골격 구조식이라 한다

과학자들은 단순 반복적인 일을 매우 귀찮아하기 때문에 C, H를 제외한 원소만 표기하고 나머지는 이런 골격만 남겨둔다

규칙으로 탄소는 항상 4가를 가지므로 이중결합과 교차선 개수를 세보고 해당 분자에 수소가 몇개인지, 탄소가 몇개인지, 따라서 분자식은 무엇인지까지 도출해낼 수 있어야한다