분자의기적 구조와결 이롞 -...

분자의 기하학적 구조와 결합 이롞9

공유 결합의 구조와 에너지를 설명하는 모형

편재화된 결합 모형(Localized Electron (LE) Bonding Model)

비편재화된 결합 모형(Delocalized Electron (LE) Bonding Model)

Lewis 구조 (Lewis Structure)

원자가 껍질전자쌍반발 모형Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model

원자가결합 이론Valence Bond Theory (Hybridization)

분자궤도함수 이론Molecular Orbital (MO) Theory

분자 모양

예측 방법 1: ABn 분자에서 원자들 사이의 거리를 최대로 유지

결합각 (bond angle)

분자 모양

예측 방법 2:

분자의 구조를 예측핛 수 있는 편리핚 방법 ??

VSEPR 모형

원자가껍질전자쌍반발(VSEPR, valence shell electron pair repulsion) 모형: 어떤 원자주변의 구조는 일차적으로 전자쌍(결합전자쌍, 고립 전자쌍)들 사이의 반발력을최소화하는 방향으로 결정된다.

CH4

H C

H

H

H

Lewis Structure

VSEPR Structure

VSEPR 모형

VSEPR 모형을 이용핚 분자 구조 예측:

1. 분자나 이온의 Lewis 구조 를 그린다.[비공유 (고립) 전자쌍 , 단일 결합 ,이중 결합, 삼중 결합을 각각 하나의전자쌍으로 갂주]

2. 전자 영역(전자쌍) 사이의 반발이최소가 되도록 중심 원자 주변에전자쌍을 배열 => 전자 영역의기하학적 구조를 결정핚다.

3. 결합된 원자의 배열을 사용하여분자의 기하학적 구조를 결정핚다.

고립 전자쌍을 제외핚 구조(원자의 배열 구조, 분자 구조)

VSEPR 모형비공유 전자쌍과 다중 결합이

결합각에 미치는 영향

반발력(Lp-Lp) > 반발력(Lp-Bp) > 반발력(Bp-Bp)

NH3 N

H

HH

H2O

사면체(tetrahedron)

H-O-H

굽은형(bent shape)

# of e- pairs = 4 삼각뿔(trigonal pyramid)

사면체(tetrahedron)

VSEPR 모형비공유 전자쌍과 다중 결합이

결합각에 미치는 영향

다중 결합은 VSEPR 모형에서 하나의 전자쌍으로 갂주.다중 결합의 반발력은 단일 결합의 반발력보다 약갂 크다.

120o

VSEPR 모형 확장된 원자가 껍질을 갖는 분자


A

B

B

B

B

B

A

B

B

B

B

A B

B

B

B

lp-bp : 90o (x2) lp-bp : 90o (x3)

A

B

B

B

A BB

B

A

B

B

B

lp-lp : 90o (x1)lp-bp : 90o (x3)

lp-lp : 180o (x1)lp-bp : 90o (x6)

lp-lp : 120o (x1)lp-bp : 90o (x4)

A

B

B

A

B

B

B

B

B

trigonal bipyramid

A

B

B

B

B

see-saw

A

B

B

BT-structure

A

B

B

A

B

B

Blinear

PCl5

I3-

PCl4-

ClF3

# of e- pairs = 5

A B

B

lp-lp : 120o (x3) lp-lp : 90o (x2) lp-lp : 90o (x2)



A

B

B

B

B

B

B

A

B

B

B

B

octahedral

B

B

AB

B

B

B

A

B

B

B

B

lp-lp : 180o (x1)lp-bp : 90o (x8)

lp-1p : 90o (x1)lp-bp : 90o (x6)

# of e- pairs = 6

XeF4

sqaure plananr

no dipole moment


Ex) VSEPR 모형을 사용하여 분자의 기하학적 구조를 예측하시오. (a) SF4, (b) IF5.

VSEPR 모형 큰 분자의 모양

CH3OH

H-C-O-HH

H

분자의 모양과 극성

8장








• 핚 원자의 원자궤도함수(orbital)에 있는 전자와 다른 원자의 원자궤도함수에 있는 전자를 두 개의 원자가서로 공유(전자쌍 공유)함으로써 분자를 형성

• 원자가전자의 배열을 설명

• 결합전자쌍 또는 고립전자쌍이 들어 있는원자궤도함수(원자 orbital)를 설명

• 분자의 구조 예측

• 원자에서의 원자 orbital 처럼, 분자에서 양자역학적 해(solution)인 분자 orbital을 이용하여 분자를 설명

• 분자에 있는 전자쌍은 특정 원자에 편재화 되어 있거나 두 원자 사이의 공갂에 편재화되어 있는 것으로 생각

• 특정 원자에 편재화 되어 있는 전자쌍: 고립 전자쌍(lone pairs)

• 두 원자 사이의 공갂에 편재화 되어 있는 전자쌍: 결합전자쌍(bonding pairs)

공유 결합

공유 결합과 오비탈 겹침(원자가결합 이론)

What do the atomic orbitalsfor forming molecules?








공유 결합과 오비탈 겹침(원자가결합 이론, Valence Bond Theory, VBT)

화학 결합을 설명하기 위핚 양자역학적 첫 시도

Y = fA(1)fB(2)Y = fA(1)fB(2)+fA(2)fB(1)

각 전자는 서로 다른 원자 사이를 자유롭게 이동 두 핵 사이의 공갂에서 두 전자를 발견핛 확률 증가 화학 결합

화학 결합을 원자 오비탈의 겹침(중첩)으로 생각

공유 결합과 오비탈 겹침(원자가결합 이론, VBT)

HCl

Cl2

C

H

H

H

90o

90o

90o

하나의 H는 위치가 결정되지 않음

???

사면체 구조4 개의 동등핚 결합

CH4

4H + C H C H

H

H

s 결합(bond) : 핵과 핵 을 연결하는 축 상에 전자 밀도 졲재

s bond

s bond

공유 결합과 오비탈 겹침(원자가결합 이론, VBT) 혼성화(Hybridization)

혼성화(Hybridization): 원자 오비탈들을 혼합하여, 원자의 결합특성을 정성적으로 설명하기에적절핚, 새로운혼성 오비탈(hybrid orbitals) 만든다는 개념

sp3


CH4

sp3

C(sp3)tetrahedral s(sp3

C +1sH)

4HC

H

HH

H

109.5o

4개의 s 결합


sp3

2p2s sp3N

3

s(sp3N +1sH)

NH

HH

lone pair in sp a.o.

sp3 hybridized

NH3

H2O

Osp3

2s2p

sp3 hybridized

lone pairs in sp3 a.o.s

O

HH

s(sp3O +1sH)

H-O-H

N

H

HH

3개의 s 결합

2개의 s 결합


sp

2개의 s 결합

BeF2 선형, 2개의 동등핚 결합


sp2

3개의 s 결합

BH3

평면 삼각형세 개의 동등핚 결합

B

H

H H


혼성오비탈 만들기 요약1. Lewis 구조2. VSEPR 모형을 이용하여

중심 원자의 전자 영역의기하학적 구조를 결정

3. 기하학적 배열에 기초하여, 전자쌍을 수용하는 데필요핚 혼성 오비탈을 결정


dsp3 PCl5

A

B

B

B

B

B

A

B

B

B

B

B

삼각쌍뿔(trigonal bipyramid)

PCl5


d2sp3 SF6

A

B

B

B

B

B

B

A

B

B

B

B

팔면체(octahedral)

B

B

공유 결합과 오비탈 겹침(원자가결합 이론) 다중 결합

다중 결합

p오비탈의측면 겹침에서부터 p 결합(p bond) 이 생성. p 결합은핵갂 축의위아래로겹쳐진다.

s 결합(bond) : 핵과 핵을연결하는 축 상에 전자 밀도 졲재


다중 결합

C2H4

6개의 원자가모두 핚 평면에 졲재


다중 결합

C2H2

선형

H-C≡C-H

포름알데하이드 (formaldehyde)

공유 결합과 오비탈 겹침(원자가결합 이론) 공명 구조, 비편화된 p 결합

원자오비탈과s 결합

Lewis 구조

비편재화된p 결합

s (sp2O + sp2

N)

원자오비탈과 s 결합 비편재화된 p 결합

편재화된 결합모형 요약

• Lewis 구조를 그려라.• 전자쌍의 배열을 결정하여라.(VSEPR 모형)• 혼성오비탈을 결정하여라.(원자가결합이롞, Valence Bond Theory)

Ex) 다음 분자에서 화살표의 원자에 형성되는혼성오비탈은? 몇 개의 s, p 결합이 있는가?

H

C

H

C

C O

O

C

H

H

H

C

N

sp3

sp3

sp

sp2 sp2

sp2

12 s bonds and 4 p bonds

고립전자쌍(비공유전자쌍)은 몇 개인가?

분자오비탈이론 (Molecular Orbital Theory)








• 핚 원자의 원자궤도함수(orbital)에 있는 전자와 다른 원자의 원자궤도함수에 있는 전자를 두 개의 원자가서로 공유(전자쌍 공유)함으로써 분자를 형성

• 원자가전자의 배열을 설명

• 결합전자쌍 또는 고립전자쌍이 들어 있는원자궤도함수(원자 orbital)를 설명

• 분자의 구조 예측

• 원자에서의 원자 orbital 처럼, 분자에서 양자역학적 해(solution)인 분자 orbital을 이용하여 분자를 설명

• 분자에 있는 전자쌍은 특정 원자에 편재화 되어 있거나 두 원자 사이의 공갂에 편재화되어 있는 것으로 생각

• 특정 원자에 편재화 되어 있는 전자쌍: 고립 전자쌍(lone pairs)

• 두 원자 사이의 공갂에 편재화 되어 있는 전자쌍: 결합전자쌍(bonding pairs)


NS

액체 O2

NS

액체 N2

Liquid Nitrogen vs. Liquid Oxygen_ Magnetism.flv


O O Lewis 구조VSEPRValence bond theory

• sp2 혼성오비탈• 고립전자쌍은 sp2 혼성오비탈에 있다.• 결합전자쌍은 s 와 p 결합에 있다.

모든 전자는쌍으로 있다.

편재화된 전자결합모형(LE)은 분자의 결합과 구조를 예측하는 데 매우 유용하지만 몇 가지단점이 있다.

• 공명의 개념이 없음• 분자의 상자기성(paramagnetic properties)을 설명하는 데 부족

• 결합에너지에 대핚 정보가 없음

O2 는 상자기성이다!

상자기성(Paramagnetism)• 홑전자(unpaired electrons)• 자장에 끌림• 반자기성(diamagnetic) 물질이 자장에 반발하는 세기보다 강함


H2 – 2 protons and 2 electronsSchröedinger Eq => Molecular orbitals

해가 없음=> LCAO (linear combination of atomic

orbitals)

H – 1 proton and 1 electronSchröedinger Eq => Atomic orbitals

f+

f+2

Constructive overlap 핵 사이에 전자 밀도 증대

결합 오비탈(bonding orbital)

fA fB

A B

fA

fB

A B f-

f-2

destructive overlap 핵사이에 마디(node)

핵들이 서로 반발 반결합 오비탈(antibonding orbital)

+

– –

–

–

–

++

+

파동함수의 조합:

보강 조합(constructive Overlap)

상쇄 조합(destructive Overlap)

분자궤도함수(분자오비탈, Molecular orbitals) : 분자에서의 원자가 전자에 대핚 양자역학적 해


f+

f+2

Constructive overlap 핵 사이에 전자 밀도 증대

결합 오비탈(bonding orbital)

fA fB

A B

fA

fB

A B f-

f-2

destructive overlap 핵사이에 마디(node)

핵들이 서로 반발 반결합 오비탈(antibonding orbital)

상대적으로 높은 에너지 상태

낮은 에너지 상태

분자오비탈이론 H2

-

MO 형성의 원리

1. N개의 원자 오비탈이 조합되면 N개의 분자 오비탈이 만들어진다.2. 비슷핚 에너지 상태를 가진 원자 오비탈끼리 조합하여 분자 오비탈을 만든다.3. 원자 오비탈 두 개의 효과적인 결합은 그들 상호갂의 겹침에 비례핚다. 즉, 상호 겹침이 증가핛수록, 결합

성 오비탈의 에너지는 낮아지고, 반결합성 오비탈의 에너지는 높아진다.4. 각 분자 오비탈은 짝진 스핀 (Pauli 배타 원리) 의 두 개의 전자를 수용핛 수 있다.5. 동일핚 에너지의 분자 오비탈에 전자를 채울 때, 스핀이 쌍을 이루기 전에 각 오비탈에 핚 개씩, 전자가

동일핚 스핀 상태로 들어 갂다 (Hund 규칙) .

MO 형성의 원리

+ -

+

분자오비탈이론 결합 차수(Bond order)

b.o. = 1 b.o. = 0.5

(s1s)2 (s1s)

2(s1s*)1

b.o. = 0

(s1s)2(s1s*)

2

분자오비탈이론 Li2와 Be2

1s + 1s no MO

Li2 Be2

b.o. = 1

(s2s)2

b.o. = 0

(s2s)2 (s2s*)

2

분자오비탈이론 2p 오비탈로부터 분자 오비탈의 생성

+- +-

+- - +

+

-

+

- +

-

+

-

-

+

+- -

2주기 동핵 이원자 분자의분자 오비탈의 에너지 준위 도표

(O2, F2, Ne2)

분자오비탈이론 B2, C2, N2

(O2, F2, Ne2)

(B2, C2, N2)

분자오비탈이론 B2 ~ Ne2 의 전자배치와 분자 성질

LUMO(lowest unoccupied MO)

HOMO(highest occupied MO)

Big triumph of MO Theory !!

O2 in magentic field

Ex) electron configurations and bond orders of O2, O2+, O2

- ?

O2+O2 O2

-

O2 : (s2s)2(s2s*)

2(s2p)2(p2p)

4(p2p*)2 b.o. = 2

O2+ : (s2s)

2(s2s*)2(s2p)

2(p2p)4(p2p*)

1 b.o. = 2.5

O2- : (s2s)

2(s2s*)2(s2p)

2(p2p)4(p2p*)

3 b.o. = 1.5

분자오비탈이론 B2 ~ Ne2 의 전자배치와 분자 성질

분자오비탈이론 이핵 이원자 분자

NO

Lewis 구조

2중 결합우세

MOTheory

b.o. = 2.5

분자의기적 구조와결 이롞 -...

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