유기화학 입문, 역사와 혼성궤도함수

유기화학이란, 살아있는 생명체의 유기화합물에 대한 호기심을 보인 학문이라고 생각하면 된다

유기화합물이란 탄소가 들어있는 것이 대부분이며, 그 예시로 머리카락(단백질), DNA, 음식, 의약품등 그 분포가 매우 다양하여 일상생활을 하면서 본 것은 대부분 유기화합물이라고 생각하면 된다

쉽게 말해서, 식물과 동물, 혹은 식물과 동물에게서 생성된 물질이란 것이다

유기화학에 대한 간단한 역사로

유기화학은 1700년대 중엽에 기틀이 마련되었고 식물, 동물에서 얻는 유기 화합물은 무기 화합물보다 녹는점이 낮아 쉽게 분해되어 분리, 정제가 어렵다

1816년, Michel cherreul 이 유기화합물인 동물성 지방과 알칼리 조합으로 비누, 그 후 유기 화합물인 지방산을 만들어 당시 유행하던 활력론에 대해 반박하였다

1828년, Frledrich wohler는 무기염인 사람 소변으로 부터 유기화합물인 Urea 을 추출해내 활력론을 완전히 없애버렸다

유기화학에서 가장 눈여겨 봐야할 원소는 바로 탄소이다

탄소는 90% 이상의 대부분의 화합물에서 포함되어 있으며 전형적으로 주기율표에서 4A족에 위치하고 있다

이는 4개의 원자가 전자를 가지고 있다는 말이며, 4개의 공유결합을 하고 있어 화합물에서 탄소의 경향이 높다면 분자량이 높다는 말과 동일시하게 된다

또한, 유기화합물에서 전형적으로 발견되는 원소들로는 H, C, N, O, F, P, S, Cl, Br, I 가 있다

따라서 유기화학에 입문하였다면, 이정도는 암기를 해놔야 편해진다고 할 수 있다

간단히 유기화학에 들어가기 앞서, 용어를 익히는 것과 원자의 구조에 대해서 간단히 짚고 넘어가야한다

Inductive effect, 유도효과

resonance effect, 공명효과

steric effect, 입체효과

stereo-specific, 입체관련

chemo-selective, 화학선택적

stereo-selective, 입체적선택

regio-selective, 투광성 선택

정도는 의미를 알고 가야한다

원자의 구조는 매우 간단하다

우리가 어렸을때 공부하였던 것이다

단지 핵은 양성자와 중성자의 합이며 그 크기는 10^-15m이고, 원자번호는 양성자의 수, 동위원소가 있다, 평균 원자량 정도만 알아두면 된다

또한 원자의 크기로 2*10^-10m 로 해당 크기는 200pm 이며, 2Å (Angstrom) 이란 것만 알아두면 된다

궤도 함수에 들어오면 꽤나 고생좀 해야한다

궤도함수로 s, p, d, f 등이 있으며 파동함수의 제곱 ψ^2는  그 자리, 그 위치에서 발견될 확률이라고 하며 이정도만 알아두면 좋다

또한, S인 경우 원형, p인 경우 아령형, d일 경우 클로버 모형이며 5번은 아령 중간에 도넛이 있는 모양인 정도만 알아두면 된다

전자 배치에 들어오면서 2가지의 원리와 1가지 규칙, 즉 3개만 알아두면 된다

1. 쌓음 원리이다.

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d 로 쌓여져 올라간다는 것을 알면 된다

2. 파울리 배타원리이다.

한 곳의 궤도에 있을때, 전자가 2개들어가는데 각각 반대의 스핀으로 들어간다는 뜻이다

3. 훈트의 규칙이다

안정한 원자에서 1s, 2s 쌓음원리 순으로 쌓여져 올라가면서 2p에서 전자가 각각 2px, 2py, 2pz 로 하나씩 먼저 들어가고 그 다음에 2개가 반대스핀으로 들어져가야한다는 것이다

또한 Van't Hoff와 Le Bel의 3차원 정사면체 구조와, 옥텟규칙, 정전기적 인력, 공유결합 정도 알아두면 좋을 것이다

루이스 점자점식과 선 결합 구조식을 통해 비공유전자쌍과 결합식을 간단히 알아두어 그 차이점만 알면 된다

원자가 결합 이론(분자 궤도함수 이론)에 들어와 궤도함수의 겹침에 큰 예시인 수소의 원통형 겹침(시그마 결합) 정도만 알면 될 듯하다

가장 중요한 혼성궤도함수에 대해 설명하자면, CH4 의 구조에서 Sp3 혼성화을 통해 설명하겠다

탄소, C는 1S2,2S2,2P2 궤도함수를 가지고 있어서 CH4는 동일한 C-H 결합이 있으므로 혼성화(hybridize) 가 되는 것이다

2S 가 가진 +가 2P에서의 노드(Node) 사이로 나뉜 +,-부분으로 +에는 부가가 되서 커지고, -에서는 상쇄가 되어 작아져 비대칭 구조를 가지게 되는 것이다

따라서 다른 원자궤도보다 효과적으로 겹침에 따라 S, P 궤도함수보다 SP3 혼성궤도함수가 더 크다고 볼 수 있다