1. 궤도함수의 겹침
ㅇ 겹치는 방식 구분
- 시그마 결합 (σ 결합, Sigma Bond) : 끝과 끝 겹침 (end-to-end)
. 2개의 1s 궤도함수가 중첩되어, 두 원자핵 사이에 전자밀도가 밀집됨
.. 개별 원자 핵에 대해 비 대칭적인 상태에서, 결합 중첩되어 가운데가 계란 모양을 이룸
. 원통 대칭형 구조(cylindrically symmetrical) : 두 원자핵 간에 대칭적인 계란 모양
. 例) H2 분자에서, H-H 결합
- 파이 결합 (π 결합, Pi Bond) : 옆과 옆 겹침 (side-to-side)
- 혼성화 (Hybridization) : 2 이상의 궤도함수가 섞여 새로운 궤도함수를 형성
. sp 혼성화, sp2 혼성화, sp3 혼성화, sp3d 혼성화, sp3d2 혼성화
2. 혼성 궤도함수 이론 (Hybrid Orbital Theory)
ㅇ Linus Carl Pauling(1901~1994)이,
- 메탄(CH4) 분자 구조를 설명하기 위해 도입한 이론
ㅇ 화학결합을 형성하기 위해서는,
- 중심 원자가 바닥상태 전자배치로부터, 먼저 들뜬상태로 여기된 다음,
- 원자 궤도함수들의 혼성화(Hybridization)가 이루어지고,
- 그 다음에 혼성화된 궤도함수에 있는 전자를, 원자들이 공유하여 결합이 형성됨
ㅇ 특징
- 원자의 궤도함수를 근거로 화학결합(공유결합)을 설명
- 특히, 분자 기하구조를 설명하는데 많이 활용
3. 혼성화 및 혼성 궤도함수
ㅇ 혼성화 (Hybridization)
- 원자 궤도함수들이 혼성하여, 결합에 참여할 수 있는 새로운 궤도함수를 이루는 것
. 원자 궤도함수들이 혼합되어 혼성 궤도함수가 형성되고,
. 이것이 다른 궤도함수와 겹친 후,
. 서로다른 스핀을 갖는 전자들이 겹친 영역에서, 새롭게 안정한 결합을 이루는 과정
ㅇ 새롭게 생성된 혼성 궤도함수(오비탈)들은,
- 서로 배향만 다르고, 같은 에너지와 형태를 갖는 동등한 궤도함수(오비탈)들이 됨
ㅇ 혼성 궤도함수의 특징
- 형성된 혼성 궤도함수의 개수 : 혼합에 참여한 원자 궤도함수의 개수와 같음
- 형성된 혼성 궤도함수의 유형 : 혼합에 참여한 원자 궤도함수의 유형에 따라 달라짐
- 혼성 궤도함수의 모양과 배향 : 결합에서 다른 원자의 궤도함수와 겹침이 최대가 되도록 함
. 혼성 궤도함수들은 반발이 최소화되는 방향으로 배향이 됨
4. 혼성 궤도함수의 유형
※ [참고] ☞ 네이버 백과 (혼성 오비탈), WiKi (Orbital hybridisation) 참조
ㅇ sp 혼성화
- s,p 궤도함수의 겹침과 새로운 궤도함수의 형성
- 2개의 전자 군이 중심 원자들을 둘러쌀때 선형 배향을 이룸
. 180도 떨어진 반대 배향으로, 2개의 동등한 sp 혼성 궤도함수가 형성됨
. 例) Be
- 또한, 두 혼성 궤도함수 각각이 또다른 원자의 궤도함수와 겹쳐지어 결합이 형성될 수 있음
. 例) BeH2
ㅇ sp2 혼성화
- s 궤도함수 1개와 p 궤도함수 2개로 형성
ㅇ sp3 혼성화
- s 궤도함수 1개와 p 궤도함수 3개가 혼성화되어, 형성
. 에너지가 낮은 2s 오비탈의 전자 중 하나가 에너지가 높은 2pz 오비탈로 올라가면,
. 2s, 2px, 2py, 2pz 오비탈에 각각 1개씩의 전자가 들어감으로써,
. 이들 4개의 오비탈들이 서로 수학적으로 혼합되어, 새로운 4개의 혼성 오비탈을 형성하며,
. 정사면체 배향을 함
- 한편,
. sp3 혼성 궤도함수는, 혼성화되지 않은 sp 궤도함수 보다 훨씬 더 강한 결합을 이룸
. 例) 메탄(CH4)
. 1개의 s 궤도함수와 3개의 p 궤도함수가 혼성화되어,
. 정사면체의 꼭지점으로 배향된 동등한 4개의 혼성 궤도함수를 형성하며,
. 이들 각각이 원자핵에 대해 비 대칭적인 모양을 함
ㅇ sp3d 혼성화
- s 궤도함수 1개, p 궤도함수 3개, p 궤도함수 1개로 형성
ㅇ sp3d2 혼성화