화학결합의 기본 개념 8

화학결합 우주의 다양성 창조(create)

왜 그리고 어떻게 화학결합을 만드는가? 어떤 것을 만드는가?

8장에서 배울 내용

8.1 Lewis 기호와 팔전자 규칙 화학 결합의 세 가지 유형, 즉 이온 결합, 공유 결합, 금속

결합에 대해 배운다. 결합을 설명하는 데 있어서 Lewis 기호는 원자가 전자를 추적하는 데 유용한 방법을 제공한다. 원자들이 항상 팔전자 규칙을 따른다는 것을 배운다.

8.2 이온 결합 원자들이 반대 전하를 갖는 이온들의 정전기 인력에 의

해서 결합되어 있는 이온성 물질을 살펴본다. 이온성 물질의 생성과 관련된 에너지에 대한 분석 및 이들 물질의 격자 에너지를 알아본다.

8.3 공유 결합 분자성 물질에서 결합을 살펴본다. 원자들은 한 개 이상

의 전자쌍을 공유하고 있다. 일반적으로, 원자는 모든 원자가 8개의 전자를 갖도록 전자를 공유한다.

8.4 결합 극성 및 전기 음성도 전기 음성도는 한 화합물에서 자신 쪽으로 전자를 잡아

당기는 원자의 능력임을 배운다. 일반적으로 전기 음성도가 다른 원자들 사이에 있는 전자쌍은 동등하게 공유되지 않으므로, 극성 공유 결합을 이룬다.

8.5 Lewis 구조 그리기 분자의 공유 결합 형태를 예측하는 데 있어 Lewis 구조가

간단하면서도 매우 강력한 방법임을 배운다. 팔전자 규칙에 추가하여, 어떻게 형식 전하를 이용하여 가장 중요한 Lewis 구조를 알아내는지 알아본다.

8.6 공명 구조 어떤 분자나 다원자 이온은 한 개 이상의 동등한 Lewis 구

조를 그릴 수 있다는 것을 배운다. 이와 같은 경우 두 개 이상의 공명 구조를 혼합한 방식으로 결합을 표시한다.

8.7 팔전자 규칙의 예외 팔전자 규칙이란 절대적 규칙이라기보다는 예외가 많은 한

기준이라는 것을 인식한다. 이 규칙의 예외로는 홀수의 전자를 가진 분자. 전기 음성도가 너무 커서 8개의 전자를 채우지 못하는 전자, 3주기 아래의 위치하여 8개보다 많은 전자를 가진 원소를 포함하는 분자 등이 있다.

8.8 공유 결합의 세기와 길이 결합의 세기와 길이는 공유 전자쌍의 수뿐만 아니라 다른

요인에 의해 결정된다는 것을 알아본다.

화학결합의 종류

화학결합(Chemical bond): 여러 원자를 함께 붙들어서 하나의 단위로 기능하게 하는 힘

e- e-

H+ H+

Coulombic interaction

Coulombic repulsion

Stabilization

Total energy = PE + KE 화학결합은 왜 형성되는가?

결합 에너지(Bond Energy): 결합을 끊는 데 필요한 에너지. 결합의 세기

Bond Energy

결합 길이(Bond Length): 단위의 전체 에너지가 최소가 되는 원자간 거리

화학결합의 종류

금속결합(Metallic Bond) 이온결합(Ionic Bond) 공유결합(Covalent Bond)

화학결합의 종류

금속결합(Metallic Bond)

Na: 1s22s22p63s1

Forming sea of electrons (freely-moving valence electrons)

Na+ Na+

Na+

Na+ Na+

e- e-

e- e-

e-

0.276 nm : 결합 길이

E

Na+, Cl-

NaCl

결합에너지 = 8.37 x 10-19 J

per NaCl

화학결합의 종류

이온결합(Ionic Bond)

NaCl

No conductivity Why conductivity?

Na+ and Cl- exist in NaCl.

Melting conductivity

이온결합 반대되는 전하를 가진 이온들 사이의 정전기적 인력에 의해 형성 쉽게 전자를 잃을 수 있는 원자와 전기음성도가 큰 원자들 사이에 형성

Motive: Coulombic 인력

rQQnmJ

reQeQE 2119

0

21 )1031.2(4

))((⋅×== −

πε

Q1 and Q2 = 이온 전하수 r = 이온 중심 사이의 거리 (in nm)

Lewis 기호와 팔전자 규칙

Lewis 기호: 원소의 화학 기호와 원자가 전자(valence electron)를 표시하는 점으로 구성

팔전자 규칙(Octet rule): 원자는 전자를 얻거나 잃거나 공유함으로써, 주기율표상에서

그 자신과 가장 가깝게 위치한 불활성 기체와 같은 전자수를 갖는다.

원자가 전자 (valence electron): 화학 결합에 참여하는 전자. 대부분의 원자가 전자는

전자가 채워진 최외각 껍질에 있다.

이온 결합

이온결합 반대되는 전하를 가진 이온들 사이의 정전기적 인력에 의해 형성 쉽게 전자를 잃을 수 있는 원자와 전기음성도가 큰 원자들 사이에 형성

Born-Haber Cycle

∆Hf

이온 결합 이온 결합 생성 에너지

격자에너지(Lattice energy): 고체 이온 결합 화합물 1몰의 모든 이온을 기체 상태의 이온으로 완전히 분리해 내는 데 필요한 에너지

MX(s) → M+(g) + X-(g)

What is the deriving force to

form ionic compounds?

Na: [Ne]3s1

Cl: [Ne]3s23p5

Na+: [Ne]

Cl-: [Ar]

NaCl(s) -lattice energy : - 격자에너지 (NaCl(s))

Sublimation (Na(s),승화열)

Dissociation : 해리에너지 (Cl2(g), x 0.5)

Ionization : 이온화 에너지 (Na(g))

electron affinity : 전자 친화도 (Cl(g))

NGEC

이온 결합 이온 결합 생성 에너지

격자에너지(Lattice energy): 고체 이온 결합 화합물 1몰의 모든 이온을 기체 상태의 이온으로 완전히 분리해 내는 데 필요한 에너지

MX(s) → M+(g) + X-(g)

approx.

Lattice Energy Calculations

Interactions between ions •Coulombic Interaction ∝1/r (attraction and repulsion) •Van der Waals Interaction ∝ 1/r6 (working at only short range) •Repulsion by electron overlap ∝ exp(-d/d*) (repulsion)

C. attraction

C. repulsion

rqqCmJ

rQQnmJ

reQeQ

Hlattice

21219

2119

0

21

)/1099.8(

)1031.2(4

))((

⋅×=

⋅×==

∆

−

−

πε(Q1 and Q2 = 이온 전하수) (r = 이온 중심 사이의 거리(nm))

(q1 and q2 = 이온 전하(C)) (r = 이온 중심 사이의 거리(m))

이온 결합 이온 결합 생성 에너지

격자에너지(Lattice energy): 고체 이온 결합 화합물 1몰의 모든 이온을 기체 상태의 이온으로 완전히 분리해 내는 데 필요한 에너지

MX(s) → M+(g) + X-(g)

1+ 1-

2+ 1- 1-

2+ 2-

3+ 3-

)(Energy Lattice 21

rQQk≈

big effect of charge

이온 결합

)(Energy Lattice 21

rQQk≈

big effect of charge

∆Hf

sublimation

dissociation (x 0.5)

dissociation (x 0.5)

NGEC

NGEC

이온 결합 s와 p 구역 원소 이온의 전자 배치

전이 금속의 전자 배치

s와 p 구역 원소 이온: 일반적으로 팔전자 규칙을 따른다.

-1 -2 -3 +3 +1 +2

전이 금속 이온: 팔전자 규칙

을 따르는 것은 아니다. 이온

을 생성할 때 제일 먼저 원

자가 껍질 전자를 잃고, 그

다음 그 이온의 전하에 이르

기 위해 필요한 수 만큼의 d

전자를 잃는다.

공유 결합

공유결합에서는 결합되어 있는 원자들이 전자를 서로 “공유”한다.

공유 결합은 C와 H 원자 사이에 전자 밀도가 있는 것으로 생각

단일 결합 (single bond): 한 쌍의 전자를 공유 이중 결합 (double bond): 두 쌍의 전자를 공유 삼중 결합 (triple bond): 세 쌍의 전자를 공유

공유 결합 Lewis 구조

Lewis 구조를 쓸 때 일반적으로 선을 이용하여 원자 사이에 있는 공유 전자쌍을,

점을 이용하여 비공유 전자쌍을 나타낸다.

삼중 결합 (triple bond)

이중 결합 (double bond)

단일 결합 (single bond)

공유 결합 결합 엔탈피와 결합 길이

공유 결합 결합 엔탈피와 결합 길이

공유 결합 결합의 극성과 전기음성도

2

예상 D(H-F) = D(H-H) + D(F-F) = 296 kJ/mol

순수한 공유 결합으로 생각할 때

예상 D(H-Cl) = D(H-H) + D(Cl-Cl)

2 = 339 kJ/mol

실제 D(H-F) = 567 kJ/mol

실제 D(H-Cl) = 427 kJ/mol

??

공유 결합 결합의 극성과 전기음성도

F2 LiF

Ionic Covalent Polar covalent bond

HF

H F δ+ δ-

극성 공유 결합 (polar covalent bond)

(polarity in bond)

ionic interaction

covalent interaction

공유 결합 결합의 극성과 전기음성도

전기음성도(Electronegativity (χ)): 분자에서 원자가 공유한 전자를 끌어 당기는 세기의 정도

∆ = D(H-X)actual - D(H-X)expected

Linus Pauling (1901-1994) (Nobel, Chemistry 1954) (Nobel, Peace 1962)

"‘초과‘의 결합 에너지는 이핵(heternuclear) 화학종 AB에서 부분적으로 전하를 띤 원자들 사이의 정전기적 인력에 의해 발생한다.”

For HF, ∆ = 271 kJ/mol

∆(AB) = (1/2)[D(AA)+D(BB)] + 96.48(χA - χB)2

공유 결합 결합의 극성과 전기음성도

전기음성도(Electronegativity (χ))

F2 LiF

Ionic Covalent Polar covalent bond

H F δ+ δ-

공유 결합 쌍극자 모멘트

dipole moment of molecule

극성분자 (polar molecule)

(poarity in molecule)

H F δ+ δ-

HF 처럼 양전하 중심과 음전하 중심을 가지고 있는 분자를 “극성이 있다.”(polar, dipolar) 또는 “쌍극자 모멘트(dipole moment)를 가지고 있다.”라고 한다.

극성 결합(polarity in bond)

극성결합 (polar covalent bond) 비극성 분자

non-polar molecule

공유 결합 쌍극자 모멘트

Ex) Q = 1, r = 1.00 Å 일 때의 dipole moment

단위: Debye(D)

1 D = 3.34 x 10-30 C·m

공유 결합 쌍극자 모멘트

Ex) (a) HCl에서 H와 Cl 원자의 전하가 각각 ＋1, -1, 결합 길이가 1.27 Å 이라면 HCl의 쌍극자 모멘트는?(D 단위)

(b) HCl(g) 의 쌍극자 모멘트로 부터 H와 Cl 원자의 전하 크기를 계산하시오. (e 단위)

공유 결합 이온 결합과 공유 결합의 비교

%100YX

Y-X bond) ofcharacter ionic(Percent

- ×= + 의이론적쌍극자모멘트

쌍극자모멘트의측정된

이온성결합의

• 완전히 100 % 이온결합은 없다. • 이온성이 50 % 이상이면 이온 결합으로 생각

NH4Cl, Na2SO4 : 용융되었을 때 전도도가 있으면 이온화합물로 분류

X+ Y-

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 모형 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Model

원자가결합 이론 Valence Bond Theory (Hybridization)

분자궤도함수 이론 Molecular Orbital (MO) Theory

• 한 원자의 원자궤도함수(orbital)에 있는 전자와 다른 원자의 원자궤도함수에 있는 전자를 두 개의 원자가 서로 공유(전자쌍 공유)함으로써 분자를 형성

• 원자가 전자의 배열을 설명

• 결합전자쌍 또는 고립전자쌍이 들어 있는 원자궤도함수(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 공간에 편재화 되어 있는 것으로 생각

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

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

공유 결합

공유 결합 Lewis 구조

• 분자에서 가장 안정한 전자 배치는 각 원자가 “불활성 기체”의 전자 배치를 하는 것이다.[팔전자 규칙(Octet rule), 이전자 규칙(Duet Rule (H))]

Lewis Structure

H H

F

F2

F F F

H H

H2

• Electron pairs between atoms indicate bond formation.

H-H

H2 F2

F F

고립전자쌍(lone pair) (x6)

결합전자쌍(bonding pair)

단일 결합 (single bond): 한 쌍의 전자를 공유 이중 결합 (double bond): 두 쌍의 전자를 공유 삼중 결합 (triple bond): 세 쌍의 전자를 공유

Lewis 구조 Lewis 구조 그리기

N – A = S

N: 개개의 원자가 불활성 기체라고 생각하였을 때의 원자가 전자(valence electron)의 총 개수 A: 실제 원자가 전자의 총 개수 S: 공유한 원자가 전자의 개수

F F

F2

F F

2 x 8 - 14 = 2

CO2

3 x 8 - (4 + 2 x 6 ) = 8

O=C=O

H2O

(2 x 2 + 8) - (2 x 1 + 6 ) = 4

H-O-H

CN-

(2 x 8) - (4 + 5 +1 ) = 6

C=N -

N2 N=N

(2 x 8) - (2 x 5) = 6

NH3

(8 + 3 x 2) - (5 + 3) = 6

N

H

H H

Cl2O

(3 x 8) - (2 x 7 + 6) = 4

Cl O Cl

Lewis 구조 Lewis 구조 그리기

N – A = S

(4 x 8) - (5 + 3 x 7 ) = 6

PCl3

CH2Cl2

(3 x 8 + 2 x 2) - (4 + 2 x 1 + 2 x 7 ) = 8

HCN

(2 + 2 x 8) - (1 + 4 + 5 ) = 8

BrO3-

(4 x 8) - (7 + 3 x 6 +1 ) = 6

NCS-

(3 x 8) - (5 + 4 + 6 +1 ) = 8

?

Lewis 구조 형식 전하와 선택적인 Lewis 구조

형식전하(Formal charge): 화학결합을 완전한 공유결합이라고 가정하였을 때 원자의 알짜 전하 수

A B

0

0

0

0 0 C H H

H

H

형식전하 = 원자의 알짜 전하 공유 전자를 반분

산화수(Oxidation number): 화학결합을 완전한 이온결합이라고 가정하였을 때 원자의 알짜 전하 수

A B +1

+1

+1

-4 +1 (for χA > χB) C H H

H

H

산화수 = 원자의 알짜 전하 전기음성도가 큰 원자가 공유 전자를 가짐

전기음성도(Electronegativity): 어떤 원자가 결합전자쌍을 끌어 당기는 능력의 척도

Lewis 구조 형식 전하와 선택적인 Lewis 구조

Formal Charge

형식전하는 여러 개의 Lewis 구조가 가능할 때 어떤 것이 더 많이 존재할 지를 결정하는 데 도움. 1. 일반적으로, 0에 가까운 FC를 갖는 원자들로 이루어진 Lewis 구조가 우세하다. 2. 전기음성도가 큰 원자에 음전하가 위치한 경우가, 그 반대의 경우보다 우세한 Lewis 구조이

다. 3. 근접한 원자는 O 이나 서로 반대되는 부호의 FC를 갖는 것이 유리하다.. 4. 반대 부호의 FC가 서로 멀리 떨어져 있는 것은 불리하다.

+1 0

-1

-1

0

0

0

0 0

0

0

Lewis 구조 공명 구조

공명(Resonance) 구조

O3

(3 x 8) - (3 x 6) = 6

O O O O O O

어떤 분자에서 두 가지 이상의 Lewis 구조가 가능하고 어느 하나가 우세하지 않고 동등할 때 분자 구조는 공명 구조의 평균이다. (O3 : two 1.5 bonds)

NO3-

C6H6

Lewis 구조 팔전자 규칙의 예외

BF3

(4 x 8) - (3 + 3 x 7) = 8

F B F

F

팔전자보다 작은 전자 (B, Be)

NH3 + BF3 → H3NBF3

N

H

H

H

B F

F

F

홀수 전자

ClO O Unpaired electron

(홑전자)

Lewis 구조 팔전자 규칙의 예외

팔전자를 초과하는 경우

• 3주기 이상 원자에서의 확장된 껍질

SF6 old : using empty d orbitals new : not necessarily (MO theory)

PCl5

I3-

Cl

F

F

F

ClF3

PO43－

Controversial