분자의 극성

【3】 공유결합의 형성과 분자의 모양

[1] 공유 결합의 극성

1. 극성과 무극성 공유 결합

(1) 극성 공유 결합

두 원자 사이의 전기 음성도 차가 있어 전자가 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 몰려 전자가 편재됨으로써 전기 음성도가 큰 원자는 음성을 띠고, 그 반대쪽 원소는 양성을 띠는 쌍극자(이중극자)를 형성하는 결합을 말한다.

그림 1 극성 공유 결합

전기 음성도 차가 0이 아니고 쌍극자 모멘트가 0이 아닌 경우에는 쌍극자를 이루는 극성 물질이다.

예)

(2) 무극성 공유 결합

두 원자 사이의 전기 음성도 차가 0이어서 쌍극자(이중극자)를 형성하지 않는 결합을 말한다.

그림 2 무극성 공유 결합

전기 음성도 차이가 0이거나 쌍극자 모멘트가 0이 경우는 무극성 물질이다.

예)

(3) 물질의 극성

1) 두 원자 사이의 전기 음성도의 차는 0이 아니지만 쌍극자 모멘트(전기 음성도의 벡터량의 합)가 0일 경우에는 무극성 물질이다.

2) 무극성 물질에서 원자 1개를 다른 물질로 치환할 경우 쌍극자 모멘트가 0이 아니되므로 극성 물질이 된다.

3) 극성이 있는 물질은 대전체(전기를 띠고 있는 물체)를 가까이 가져가면 대전체 쪽으로 물질이 끌리는 성질이 있다.

4) 극성 물질은 양성과 음성을 띠므로 서로 정전기적 인력이 작용한다.

2. 극성과 전기 음성도

1. 전기 음성도 차가 1.7 이하이면 공유 결합이라 한다.

(1) 전기 음성도 차가 0이면 무극성 공유 결합

(2) 전기 음성도 차가 0-1.7 사이이면 극성 공유 결합

2. 전기 음성도 차가 1.7 이상이면 이온 결합이라 한다.

[2] 분자의 모양과 오비탈

1. 전자쌍 반발 이론과 분자 구조

(1) 전자쌍 반발이론

공유 또는 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 작을수록 안정하기 때문에 될 수 있는 한 반발력이 최소가 되게 전자쌍이 배치된다. 이 전자쌍이 배치된 모양이 물질의 구조 모양이다.

(2) 전자쌍의 수와 분자 구조

표 1 전자쌍의 수와 분자 구조와의 관계
전자쌍의 수	분자 구조 모형	결합각
2	직선형	180°
3	평면 삼각형	120°
4	사면체	109.5°

(3) 전자쌍 사이의 반발력이 크기 비교

(공유-공유)전자쌍 < (공유-비공유)전자쌍 < (비공유-비공유)전자쌍

공유 전자쌍은 두 원자가 서로 공유하기 때문에 구속을 받지만 비공유 전자쌍은 그런 구속이 없으므로 반발력이 작용하는 범위가 공유 전자쌍보다 크다.

(4) 정사면체의 변형

그림 3

2. 오비탈에 의한 분자 모형

(1) 오비탈 함수의 결합 방식

바닦상태 :

?? ?? ?? ?? ??

들뜬상태 :

?? ?? ?? ?? ??

?? ?? ?? ??

?? ?? ?? ?? 혼성 오비탈

▷의 뜻

탄소의 바닦상태의 전자 배치는 이나 화합물을 이루기 위해서는 들뜬상태인 로 된다. 여기서 원자가전자인 의 전자 4개가 모두 결합에 참여하여 s도 p도 아닌 전혀 다른 새로운 혼성 오비탈 함수를 형성하며 s에서 1개, p에서 3개가 참여하여 만들어진 혼성 오비탈 함수이기 때문에 혼성 오비탈이라 한다.

표 2 오비탈에 의한 분자 모형
분자식	점전자식	2s 2p	결합
	H H C H H	C : ↑ ↑ ↑ ↑ H : ?? ?? ?? ?? 혼성 ↑?? ↑?? ↑?? ↑??	단일 결합
	O O	O : ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ O : ↑↓ ↑↓ ↑ ↑	이중 결합
	F F	F : ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ F : ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑	단일 결합
	N N	N : ↑↓ ↑ ↑ ↑ N : ↑↓ ↑ ↑ ↑	삼중 결합
	B 바닦상태 들뜬상태	↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑	단일 결합
	F	↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑
	F B F F	혼성 ↑?? ↑?? ↑??

(2) 혼성 오비탈 함수와 분자 구조

1) 혼성 오비탈 함수의 뜻

원자와 원자가 결합할 대 두 원자의 궤도 함수가 만나 만든 분자 오비탈 함수로 그 원자 오비탈 함수와는 전혀 다른 새로운 오비탈 함수이다.

2) 혼성 오비탈 함수

2주기 원소가 결합을 할 때는 반드시 들뜬상태에서만 결합을 한다.

함수	개 요	구 조	결합각
	s 1개가 만드는 혼성 오비탈 함수	직선 구조	180°
	s 1개, p 1개가 만드는 혼성 오비탈 함수	직선 구조	180°
	s 1개, p 2개가 만드는 혼성 오비탈 함수	삼각형 구조	120°
	s 1개, p 3개가 만드는 혼성 오비탈 함수	사면체 구조	109°
	p 1개가 만드는 혼성 오비탈 함수	직선 구조	108°

3) 결합의 종류

A. σ결합

원자 오비탈 함수가 축 방향으로 결합한 것으로 그 단면은 원형을 이루고 있다.

s와 s, s와 p, p와 p 함수 등의 사이에서 사이에서 일어난다.

그림 4 σ결합의 모형

오비탈의 축방향으로 결합한 것으로 결합이 있으면 기본적으로 이루어지는 결합이다.

단일 결합의 경우는 반드시 σ결합이다.

B. π결합

원자 오비탈 함수가 축과 수직한 방향으로 결합한 것으로 그 단면이 아령 모양을 이루고 있다.

반드시 방향성이 있는 오비탈 함수인 p, d, f 사이에서 일어난다.

그림 5 π결합의 모형

방향성이 있는 오비탈 간의 결합으로 축과 수직한 방향으로의 결합이기 때문에 에너지를 받으면 끊어지기 쉽다.

π결합은 반드시 σ결합이 존재하는 상태에서 이루어지며, σ결합이 π결합보다 안정하기 때문에 에너지를 받으면 π결합이 먼저 끊어진다.

(3) 혼성 오비탈 함수의 예

2주기 원소는 들뜬상태에서 결합이 이루어지며, 3주기 원소는 최외각전자의 에너지가 결합하기에 충분하므로 들뜨지 않고도 결합을 할 수 있다.

?? s오비탈 1개로 이루어진 결합

분자 오비탈 = s결합

결합각 = 180°

모 양 = 직선형

1s 2s 2p

?? ??

들뜬상태 ?? ?? ??

2 ?? ??

?? ??

분자 오비탈 = sp 혼성 오비탈

결합각 = 180°

모 형 = 직선형

1s 2s 2p

?? ?? ??

들뜬상태 ?? ?? ?? ??

3 ?? ?? ??

?? ?? ??

분자 오비탈 = 혼성 오비탈

결합각 = 180°

모 형 = 삼각형

1s 2s 2p

?? ?? ?? ??

들뜬상태 ?? ?? ?? ?? ??

4 ?? ?? ?? ??

?? ?? ?? ??

분자 오비탈 = 혼성 오비탈

결합각 = 109°

모 형 = 사면체

2s의 1개의 전자쌍은 들뜬상태에서 결합에 참여하나 다른 물질과는 결합을 하지 않는다.

1s 2s 2p

?? ?? ?? ?? ??

들뜬상태 ?? ?? ?? ?? ??

3 ?? ?? ??

?? ?? ?? ??

분자 오비탈 = 혼성 오비탈

결합각 = 107°

모 형 = 삼각피라미드

2s, 2p의 2개의 전자쌍은 들뜬상태에서 결합에 참여하나 다른 물질과는 결합을 하지 않는다.

1s 2s 2p

?? ?? ?? ?? ??

들뜬상태 ?? ?? ?? ?? ??

2 ?? ??

?? ?? ?? ??

분자 오비탈 = 혼성 오비탈

결합각 = 104.5°

모 형 = 굽은형

1s 2s 2p

?? ?? ?? ?? ??

분자 오비탈 = p오비탈

결합각 = 180°

모 형 = 직선형

3s 3p

?? ?? ?? ??

3 ?? ?? ??

?? ?? ??

분자 오비탈 = 오비탈

결합각 = 93.3°

모 형 = 삼각피라미드

3s 3p

?? ?? ?? ??

2 ?? ??

?? ??

분자 오비탈 = 오비탈

결합각 = 92°

모 형 = 굽은형

【4】 분자간의 힘

[1] 개요

1. 분자간의 인력은 그 물질의 특성인 녹는점.끓는점과 용해도에 많은 영향을 미친다.

2. 분자간에 작용하는 힘의 종류가 비슷할수록 용해도가 크다.

3. 분자간의 인력이 클수록 녹는점.끓는점이 높다.

[2] 분자간의 힘의 종류와 특성

1. 쌍극자간의 인력

극성 물질의 사이의 정전기적 인력으로 극성 물질과 극성 물질간의 인력이다.

쌍극자간의 인력은 극성의 크기가 클수록 더 크며, 쌍극자간의 인력이 클수록 분자간의 인력이 커져 녹는점과 끓는점이 높아진다.

2. 수소 결합

(1) 뜻

수소가 있는 극성 물질에서, 인 중심 원소와 인 수소 사이에 작용하는 쌍극자간의 인력이다.

(2) 특성

1) 수소 결합 물질은 분자량이 비슷한 다른 물질보다 끓는점, 녹는점이 높다.

2) 수소 결합 물질의 예

그림 6

(3) 수소 결합과 물의 특성

1) 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점.끓는점이 매우 높다.

2) 고체, 액체에서 모두 수소 결합을 한다.

3) 얼음이 물에 뜬다.

얼음은 물분자가 수소 결합을 함으로써 육각형 구조를 이루는데 이 때 육각형 구조 안쪽에 빈 공간이 생기기 때문에 밀도가 작아져 물에 뜬다.

4) 비열이 다른 액체 상태의 물질보다 크다.

3. 분산력

(1) 분산력의 뜻

1) 유발쌍극자

무극성 분자에서 전자가 원자핵 주위를 운동하다가 어느 한 순간 전자들이 한쪽으로 몰려 순간적으로 전자가 한쪽으로 편재될 수가 있다. 이때 잕가 몰리는 쪽이 , 그 반대쪽이 가 되어 만들어진 것

2) 분산력

무극성 분자에서 유발 쌍극자와 유발쌍극자 사이의 정전기적 인력에 의한 분자간의 인력

A. 분산력이 큰 물질일수록 분자간의 인력이 크다.

B. 분자간의 인력이 클수록 녹는점.끓는점이 높으므로

분산력이 큰 물질일수록 녹는점.끓는점이 높다.

그림 7 분산력의 모형

분산력은 분자 내의 전자가 순간적인 편재에 의해 형성된 유발 쌍극자 간의 힘으로 순간적인 힘이며 매우 약하다.

분산력이 큰 물질일수록 승화열이 크다.

(2) 분산력의 크기

1) 분산력은 분자량이 큰 물질일수록 크다.

전자가 핵으로부터 멀리 있어야 활동 범위가 넓어져 전자의 편재가 쉬워져 분산력이 커진다.

2) 분산력은 분자의 구조가 복잡할수록 크다.

분자가 사슬 구조와 같이 길거나 구조가 복잡할수록 전자가 편재되기 쉬워 분산력이 커진다.

(3) 반 데르 발스 반지름

1) 반 데르 발스 반지름

원자핵을 중심으로 최외각전자 껍질까지의 거리

원자 또는 분자를 이것보다 더 가까운 거리로 압축시킬 수 없다.

2) 원자 반지름

전자 껍질이 겹침으로써 화합물을 형성하는데 이 때 원자핵 중심에서 전자 껍질이 겹치는 곳까지의 거리를 원자 반경이라 한다.

[3] 분자간의 힘과 용해

1. 두 물질이 서로 섞이는 경우

극성 물질과 극성 물질, 무극성 물질과 무극성 물질

용매와 용질 사이에 작용하는 힘의 종류가 비슷하여 서로 잘 섞인다.

예) 물과 알코올, 아세트산과 물, 벤젠과 솔벤트, 휘발유와 석유

2. 두 물질이 서로 섞이지 않는 경우

극성 물질과 무극성 물질

두 물질이 서로 섞이기 위해서는 용매-용매간의 인력보다 용매-용질간의 인력이 최소한 같거나 커야 한다. 그러나 극성 물질 사이의 인력을 무극성 물질이 떼어놓을 수 없기 때문에 서로 섞일 수 없다.

예) 물과 사염화탄소, 알코올과 사염화탄소

3. 분자간의 인력과 각 결합력의 비교

A. 분자간의 인력의 비교

분산력 < 쌍극자간의 힘 < 수소 결합력

B. 화학 결합력의 비교

금속 결합력 < 이온 결합력 < 공유 결합력