Hybrid Orbital   혼성 오비탈, 혼성 궤도함수

(2021-10-04)

Hybridization, 혼성화


1. 혼성 오비탈 이론 (Hybrid Orbital Theory)

  ㅇ Linus Carl Pauling(1901~1994)이, 
     - 메탄(CH4)과 같은 화합물분자 구조를 설명하기 위해 도입한 이론

  ㅇ 이론상의 특징
     - 원자오비탈을 근거로 화학결합(공유결합)을 설명
     - 특히, 분자 기하구조를 설명하는데 많이 활용

  ㅇ 이론상의 개요
     - 화학결합을 형성하기 위해서는,
     - 중심 원자바닥상태 전자배치로부터, 먼저 들뜬상태로 여기된 다음,
     - 이로부터, 원자 오비탈들의 혼성화(Hybridization)가 이루어지고,
     - 이때의, 혼성화된 오비탈에 있는 전자들을, 원자들이 공유 함 
     - 이렇게, 형성된 혼성화된 오비탈에 의해 화학결합(공유결합)함으로써, 그 특징을 나타낸다고 봄


2. 혼성화 및 혼성 오비탈

  ㅇ 혼성화 (Hybridization)
     - 원자 오비탈들이 혼성하여, 결합에 참여할 수 있는 새로운 오비탈을 이루는 것
        . 원자 오비탈들이 혼합되어 혼성 오비탈을 형성하고,
        . 이것이 다른 오비탈과 겹친 후,
        . 서로다른 스핀을 갖는 전자들이 겹친 영역에서, 새롭게 안정한 결합을 이루는 과정

  ㅇ 새롭게 생성된 혼성 오비탈들은,
     - 서로 배향만 다르고, 같은 에너지와 형태를 갖는 동등오비탈들이 됨

  ㅇ 혼성 오비탈의 특징
     - 형성된 혼성 오비탈의 개수 : 원래의 원자 오비탈의 개수와 같음
     - 형성된 혼성 오비탈의 유형 : 원래의 원자 오비탈의 유형에 따라 달라짐
     - 혼성 오비탈의 모양과 배향 : 원래의 원자 오비탈의 모양과 배향과는 전혀 다름
        . 결합에서 다른 원자오비탈과 겹침이 최대가 되도록 함
        . 혼성 오비탈들은 반발이 최소화되는 방향으로 배향이 됨
     * 혼성 오비탈은, 비 혼성화일 때 보다, 훨씬 더 강한 결합을 이룸

  ㅇ 혼성화 (Hybridization) 유형  :  2 이상의 오비탈이 섞여 새로운 오비탈을 형성
     * 2 이상의 다른 오비탈들이 조합하여, 안정한 분자를 이루도록, 
       모양과 에너지가 같은, 동일한 수의 새로운 오비탈들을 형성 
     - sp 혼성화 (직선형, 180˚)
     - sp2 혼성화 (정삼각형, 120˚)
     - sp3 혼성화 (정사면체, 109.5˚)
     - sp3d 혼성화 (평면사각형, 90˚)
     - sp3d2 혼성화 등


3. 혼성 오비탈의 유형

  ※ [참고] ☞ 네이버 백과 (혼성 오비탈), WiKi (Orbital hybridisation) 참조

  ㅇ sp 혼성화
     - s,p 오비탈의 겹침으로 새로운 오비탈로 혼성화
         
     - 분자 구조 : 직선형 구조
        . 2개의 전자 군이 중심 원자들을 둘러쌀때 선형 배향을 이룸
     - 결합각 : 180˚
        . 180도 떨어진 반대 배향으로, 2개의 동등한 sp 혼성 오비탈이 형성됨
     - 例) Be
        . 또한, 두 혼성 오비탈 각각이 또다른 원자오비탈과 겹쳐지어 결합이 형성될 수 있음
        . 例) BeH2

  ㅇ sp2 혼성화 (sp2 hybridization)
     - s 오비탈 1개와 p 오비탈 2개로 혼성화
        
     - 분자 구조 : 평면 삼각형 구조
     - 결합각 : 120˚
     - 한편, sp2 혼성화된 두 원자 간에 이중결합시에는,             ☞ 오비탈 겹침 참조
        . 항상, 1개 σ 결합과 1개 π 결합으로 됨
        . 만일, 단일 원자가, 3개의 σ 결합을 갖으면, 이들은 3개의 sp2 혼성 오비탈 임
     - 例) 에틸렌(C2H4)
        . 탄소 원자 주위에 3개의 유효 전자쌍이 있고,
        . 이들 간에 120˚ 결합각으로 평면 삼각형 구조를 이룸

  ㅇ sp3 혼성화 (sp3 hybridization)
     - s 오비탈 1개와 p 오비탈 3개가 혼성화
        . 에너지가 낮은 2s 오비탈전자 중 하나가, 에너지가 높은 2pz 오비탈로 올라가면서,
        . 2s, 2px, 2py, 2pz 오비탈 각각에 1개씩의 전자가 들어감으로써,
        . 이들 4개의 오비탈들이 서로 혼합되어, 새로운 4개의 혼성 오비탈을 형성하며,
        . 정사면체 배향을 함
           
     - 분자 구조 : 정사면체 구조
     - 결합각 : 109.5˚
     - 例) 메탄(CH4)
        . 기저상태탄소 원자가전자 4개(2s2,2p2)가 들떠, 
        . 1개(2s1)의 s 오비탈과 3개(2p3)의 p 오비탈들이 되고,
        . 이들 4개가 조합하여, 새롭게 4개로 동등하게 혼성화되어, 
        . 각각 큰 로브(주엽)와 작은 로브(부엽) 형태로, 
        . 공간 상에 큰 로브가 정사면체의 꼭지점으로 배향된 채,
        . 이들 각각이 원자핵에 대해, 비 대칭적인 모양을 함
      - 例) 암모니아(NH3)

  ㅇ sp3d 혼성화
     - s 오비탈 1개, p 오비탈 3개, p 오비탈 1개로 형성

  ㅇ sp3d2 혼성화


4. 오비탈(궤도함수)의 겹침 모드 (겹치는 방식, Mode of Overlap)

  ※ ☞ 오비탈 겹침 참조
     - 시그마 결합 (σ 결합, Sigma Bond)  :  끝과 끝이 겹침 (end-to-end)
     - 파이 결합 (π 결합, Pi Bond)       :  옆과 옆이 겹침 (side-to-side)



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