혼성화

메탄: sp ³ 혼성화

가장 단순한 유기 화합물은 탄소 원자 하나를 포함하는 메탄 분자입니다. 원자가 껍질에는 4개의 전자가 있으므로 4개의 결합을 생성할 수 있으며 메탄 분자에는 4개의 수소 원자가 있습니다. 처음에는 결합을 형성하는 동안 두 가지 유형의 오비탈(2s 및 2p)을 사용하기 때문에 메탄에는 두 가지 유형의 CH 결합이 있다고 가정했습니다. 그러나 추가 연구에서는 이러한 가정에도 불구하고 메탄에 존재하는 각 CH 결합이 동일하고 공간적으로 정사면체의 모서리를 향할 가능성이 매우 높다는 사실이 밝혀졌습니다. 왜 그런지에 대한 질문에 답한 사람은 라이너스 폴링이었습니다. 그는 s-오비탈과 3개의 p-오비탈을 혼합하는 혼성화가 어떻게 가능한지 수학적으로 증명했습니다. 이로 인해 공간 기하학이 사면체 모양을 갖는 4개의 등가 원자 궤도가 형성됩니다. 이러한 유형의 혼성화를 sp ³ 이라고 합니다. 단순한 "혼성화"라는 용어는 정확히 서로 다른 오비탈이 서로 섞이는 방식을 논리적으로 설명하지만 그러한 변환이 실제로 발생하는 이유에 대한 답은 아닙니다. 그러나 이것은 또한 설명될 수 있다. s-오비탈이 혼성화될 때, 그것은 3개의 p-오비탈과 혼합되고, 그 결과 혼성화된 오비탈은 핵에 대해 대칭적으로 배열되지 않습니다. 이는 생성된 sp ³ -orbital이 하나는 더 작고 하나는 더 큰 루프로 밝혀지기 때문입니다. 훨씬 더 큰 후자는 결합이 형성되는 동안 다른 원자의 궤도와 훨씬 더 잘 겹칩니다. 결과적으로 오비탈 또는 이러한 sp ³ 하이브리드는 혼성화되지 않은 s- 및 p-오비탈에 비해 훨씬 더 강한 결합을 생성합니다.

sp ³ 혼성화의 메커니즘

sp ³ -오비탈은 p-오비탈을 정의하는 파동 방정식과 관련된 비대칭성을 특징으로 합니다. 결과적으로 두 루프는 더하기 및 빼기의 반대 기호를 갖습니다. 이러한 특성과 p-오비탈과 s-오비탈의 중첩으로 인해 p-오비탈 루프 중 하나는 가법이고 다른 하나는 s-오비탈과 감산입니다. 결과적으로 이러한 루프는 s-오비탈에 더해지거나 뺍니다. s-오비탈은 한 방향으로 강하게 지향되는 혼성화된 오비탈을 형성합니다. 탄소 원자의 동일한 오비탈(sp ³ 혼성화 포함)이 4개의 수소 원자의 1s-오비탈과 중첩될 때 생성되는 CH 결합은 동일합니다. 메탄에서 결합 에너지는 438kJ/mol이고 길이는 최대 1.10Å입니다. 이들은 해당 분자의 특정 결합에 대해 고정된 특성 값입니다. 해당 분자의 기하학적 구조에 대한 또 다른 특징은 결합 각도입니다. 그것은 두 개의 연속적인 HCH 결합 사이에 형성된 각도를 결정하고 정확히 ^109.5o 와 같습니다. 우리는 그것을 사면체 각도라고 부릅니다.

에탄: sp ³ 혼성화

같은 방식으로 고려될 수 있는 또 다른 화합물은 탄소 사이의 결합(CC)을 포함하는 에탄입니다. 그 구조에 존재하는 탄소 원자는 각각의 sp ³ 하이브리드에서 σ-오비탈이 겹치는 결과로 서로 연결됩니다. 각 탄소 원자의 다른 3개의 혼성 궤도함수는 수소 원자의 1s 궤도함수와 겹칩니다. 이것은 6개의 동일한 CH 결합을 생성합니다. 이러한 결합은 420kJ/mol의 에너지를 특징으로 합니다. CC 결합은 에너지가 276kJ/mol이고 길이가 1.54Å입니다. 이러한 구성에서 형성되는 각도는 사면체( ^109.5o )입니다.

에틸렌: sp ² 혼성화

탄소에 대한 가장 일반적인 전자 상태는 sp ³ 혼성화이지만 다른 변형도 있습니다. 예를 들어 에틸렌에서 탄소 원자는 서로 연결되어 4개의 전자를 공유하는 경우에만 적절한 양의 결합을 보인다는 연구 결과가 있습니다. 그런 다음 그들은 그들 사이에 이중 결합을 형성합니다. 또 다른 사실은 에틸렌이 평평한 구조를 가지고 있고 결합 사이의 각도가 ^120o 라는 것입니다. 이 경우 2s-오비탈은 기존 2p-오비탈 3개 중 2개와만 혼합되기 때문입니다. 그 결과 sp ² 라고 하는 3개의 혼성화된 오비탈이 존재합니다. 혼성화되지 않은 하나의 2p-오비탈도 존재합니다. 그런 다음 기하학적 구조는 다음과 같습니다. 3개의 혼성화 오비탈은 서로 120 ^° 로 동일한 평면에 위치하고 혼성화되지 않은 p-오비탈은 sp ² 평면에 수직입니다.

sp ² 혼성화 메커니즘

sp ² -sp ² 오비탈의 중첩 결과, sp ² 혼성화를 갖는 2개의 탄소 원자가 σ-결합을 형성한다. 원자의 혼성화되지 않은 p-오비탈은 서로 옆으로 겹쳐서 π-결합을 형성합니다. 이러한 결합에서 전자 밀도 영역은 핵 사이에 직접적으로는 아니지만 핵 사이의 선 양쪽에 존재합니다. sp ² 혼성체의 σ-결합과 혼성화되지 않은 원자의 π-결합을 포함하는 이러한 배열은 2개의 탄소 원자가 공유하는 4개의 전자를 유도하여 이중 결합 C=C를 형성합니다. 따라서 에틸렌의 구조는 이중 결합이 형성되면 남아 있는 4개의 sp ² 오비탈과 함께 σ 결합을 형성하는 4개의 수소 원자를 포함합니다. 분자는 편평한 기하학을 가지며 결합각은 약 120 ^° 입니다. CH 결합에 고유한 값은 1.076Å의 길이와 444kJ/mol의 에너지입니다. 4개가 아닌 2개의 전자만 공유되기 때문에(예를 들어 에탄의 구조와 달리) 이중 C=C 결합은 단일 CC 결합보다 짧고 강합니다. 에틸렌에서 길이는 1.33Å이고 에너지는 611 kJ/mol입니다. 분자 오비탈 이론을 통해 두 원자 p-오비탈의 결합이 결합 및 반결합 분자 π-오비탈을 형성한다는 것을 관찰할 수도 있습니다. 결합 오비탈은 p-루프와 동일한 대수 부호의 가산 조합으로 인해 핵 사이에 노드가 없습니다. 반대로 반 결합 궤도는 대수 부호가 다른 루프의 빼기 효과로 인해 핵 사이에 노드가 있습니다. 결과적으로 덜 활동적이고 결합된 분자 오비탈만 채워집니다.

아세틸렌: sp 혼성화

탄소 원자 사이의 연결의 또 다른 가능성은 6개의 전자가 공유되는 삼중 결합을 형성하는 것입니다. 이를 위해 sp 혼성화라고 하는 또 다른 궤도 혼성화를 도입해야 합니다. 이 구성에서 탄소 원자의 2s-오비탈은 단일 p-오비탈과만 혼합됩니다. 이것은 sp 혼성화 및 2개의 p-오비탈을 갖는 2개의 오비탈의 형성을 이끈다. sp-오비탈은 선형 구조를 형성하고 이들 사이의 각도는 x축을 따라 ^180o 입니다. 다른 p-오비탈은 다른 축(y 및 z)에 수직입니다. sp 혼성화가 있는 두 개의 탄소 원자가 겹치면 전면 중첩이 발생하여 강한 σ 결합(sp-sp 유형)이 형성됩니다. 또한 p _y – 및 p _z -오비탈의 측면 중첩이 발생하여 특정 순서로 π-결합( _{py -py 유형) 및 π-결합(p z -p z 유형 )} 을 형성합니다. 결과적으로 6개의 전자가 공유되어 삼중 C≡C 결합을 형성합니다. sp 하이브리드의 다른 오비탈은 수소 원자와 σ 결합을 형성합니다. sp 혼성화로 인해 에틴은 HCC 결합각이 ^180o 인 선형 분자입니다. 아세틸렌의 CH 결합 길이는 1.06Å이고 에너지는 552 kJ/mol입니다. 그 결합의 길이는 더 짧고 에너지는 단일 및 이중 결합에 비해 높습니다. 이 값은 각각 1.20Å 및 835kJ/mol입니다. 탄소 원자 사이에 존재할 수 있는 가장 짧고 강한 결합입니다.

다른 원자의 혼성화

혼성화의 세 가지 유형(sp, sp ² 및 sp ³ ) 개념은 탄소 원자를 포함하는 구조에만 적용되는 것이 아닙니다. 혼성 오비탈을 사용하여 다른 원소도 분자로 설명할 수 있습니다.

1. 암모니아 분자(NH ₃ ) – 질소 원자는 5개의 원자가 전자를 가지며 옥텟에 접근하는 3개의 원자 결합을 생성합니다. HNH 결합각은 실험적으로 측정되었습니다. 그것은 107.3 ^o 와 같으므로 사면체 각도에 가깝습니다. 이것은 암모니아 가 sp ³ 의 맥락에서 고려되어야 함을 시사합니다. 질소 원자는 4개의 sp ³ 오비탈의 형성과 혼성화합니다. 그 중 하나는 두 개의 비 결합 전자를 가지고 있고 다른 모든 궤도는 하나의 결합 전자를 포함합니다. 1s-오비탈과 혼성화된 오비탈의 중첩은 길이가 1.008Å이고 에너지가 449kJ/mol인 σ-결합을 생성합니다.
2. 물 분자(H ₂ O) – 산소 원자도 sp ³ 을 나타내지만 6개의 원자가 전자를 포함하므로 2개의 원자 결합을 형성하여 2개의 자유 전자쌍을 남깁니다. 분자 내의 HOH 결합각은 104.5 ^° 이므로 혼성화를 시사하는 사면체각과도 유사하다. 더 낮은 각도 값은 아마도 서로를 밀어내는 두 개의 자유 전자 쌍의 결과일 것입니다. OH 결합의 길이는 0.958Å이고 에너지는 498kJ/mol입니다.
3. 불화붕소(BF ₃ ) 분자 – 붕소 원자는 3개의 원자가 전자를 포함하므로 옥텟에 도달하지 않고 3개의 결합만 생성할 수 있습니다. 그러나 기존의 불소 원자는 BF 결합을 형성하여 공간적으로 서로 가능한 한 멀리 배열합니다. 결과는 분자의 삼각 구조이고 sp ² 3개의 불소 원자 각각은 붕소의 혼성 오비탈과 결합하여 p-오비탈이 채워지지 않은 상태로 둡니다.