포스테키안

2019 가을호 / 지식더하기 Ⅱ

2019-10-31 29

지식더하기 Ⅱ / 분자의 양자 역학적 해 분자 오비탈

 

포스테키안 독자 여러분은 과학 중에 어느 분야를 가장 좋아하나요? 저는 고등학생 때 눈에 보이지 않는 원자, 분자를 다루는 학문인 ‘화학’을 좋아했습니다. 화학 시간에 구 모양의 s 오비탈, 아령 모양의 p오비탈 등 원자 오비탈에 대해서는 많이 들어보았을 겁니다. 이번 글에서는 그로부터 심화된 ‘분자 오비탈’에 대해 알아보도록 합시다!

원자 오비탈에서 원자에 있는 전자들이 특정 에너지 상태의 오비탈에 존재한다고 가정했다면, 이 이론을 분자에도 적용할 수 있을까요? 네! 실제로 분자 오비탈 이론이 더 정확한 이론으로 알려져 있습니다. 분자 오비탈의 종류는 결합성 오비탈과 반결합성 오비탈로 나눠집니다. 이를 이해하기 위해 가장 간단한 분자인 수소 분자를 떠올려 봅시다(그림 1).


(그림1)

수소 분자는 두 개의 수소 원자로 이루어져 있고, 각각의 수소 원자는 전자가 하나 포함된 1s 오비탈을 가지죠. 수소 분자 오비탈은 두 수소 원자가 충분히 접근했을 때 두 1s원자 오비탈의 겹침에 의하여 형성됩니다. 1s 오비탈은 두 가지 위상인 (+)와 (-)를 가질 수 있는데 두 1s 오비탈이 겹칠 때, 각각 같은 위상을 가져 보강 간섭이 일어나면 원래 오비탈의 에너지 준위보다 낮아져 안정됩니다. 이러한 분자 오비탈을 ‘결합성 분자 오비탈(Bonding MO)’이라 합니다. 반면에 ‘반결합성 분자 오비탈(Antibonding MO)’은 두 1s 오비탈이 겹칠 때 각각 반대의 위상을 가져 상쇄 간섭이 일어나면 기존의 오비탈보다 높은 에너지 준위를 가져 불안정해집니다(그림1).

분자 오비탈은 두 오비탈이 어떻게 결합해서 이루어지는 것일까요? 오비탈의 결합 종류에는 ‘(시그마) 결합’과 ‘π(파이) 결합’이 있습니다. 앞서 말씀드린 s오비탈은 시그마 결합만 할 수 있으므로 시그마 결합과 파이 결합을 모두 할 수 있는 p오비탈로 결합을 확인해보겠습니다! 결합은 결합에 참여하는 두 원자가, 그 핵을 잇는 결합 축에 대해 축 대칭으로 오비탈이 겹쳐져 형성된 결합입니다. 결합성 오비탈의 경우, 두 원자의 오비탈이 정면으로 만나서 원형의 단면을 가지는 강한 공유결합을 하기 때문에 원자들이 접근하여 분자를 형성할 때에는 늘 강하고 안전한 결합이 이루어집니다. 반결합성 오비탈일 경우, *(시그마 스타)로 표현합니다.


(그림2)

π결합은 결합과는 달리 p오비탈 두 개가 측면으로 평행하게 겹쳐 형성된 약한 공유 결합입니다. π결합은 약하고 쉽게 끊어질 뿐만 아니라 전자들이 외부로 노출되어 있어 공격받기가 쉽기에 분자 내에 π결합을 가지고 있으면 그 분자는 반응성이 커집니다. 반결합성 분자 오비탈일 경우 π*(파이 스타)라고 표현합니다.


(그림3)

s오비탈의 경우는 방향이 하나여서 결합밖에 형성되지 않지만, p오비탈은 x, y, z 3 가지의 방향이 존재합니다. p오비탈이 겹쳐져 분자 오비탈이 형성될 때, 결합 1개와 π 결합 2개가 만들어지는데 π결합은 평행하게 겹쳐지지만, 결합은 결합 축 방향으로 형성되어 중첩 정도가 더 크므로 와 *의 에너지 차이가 커집니다. (그림4)와 같이 분자 오비탈 에너지 준위가 형성되는데 사실 분자 오비탈에는 예외가 많이 발생합니다.


(그림4)

만약 앞선 예외나 분자 오비탈에 대해 더 궁금하다면 여러분이 직접 찾아서 공부해 보세요!
화학의 매력에 빠질지도 몰라요~.



이미지출처
(그림1) 수소 1s 궤도함수로 형성된 결합성, 반결합성 분자 궤도함수 https://blog.naver.com/dart752000/221092971491

(그림2,3,4) https://onsaem9134.tistory.com/55



알리미 25기 무은재학부 19학번 조혜인