Transcript 결합 : 일반 개념 - wizchem.org

Bonds

Forces that hold groups of atoms together and
make them function as a unit

원자가 서로 결합하는 방법은
화학적, 물리적 성질에 엄청난
영향을 미친다
1
화학결합의 유형

Bond Energy



Bond Length


It is the energy required to break a bond.
It gives us information about the strength of a
bonding interaction.
The distance where the system energy is a
minimum.
Ionic Bonds


Formed from electrostatic attractions of closely
packed, oppositely charged ions.
Formed when an atom that easily loses electrons
reacts with one that has a high electron affinity.
2
Ionic Bonds

쿨롱의 법칙(Coulomb’s law)
E = 2.31  10





19
J nm (Q1Q2 / r )
Q1 and Q2 = numerical ion charges
r = distance between ion centers (in nm)
동일하게 하전된 두 개의 입자가 결합할 때의 반발 에
너지를 계산하는데도 사용
계는 양의 에너지(반발력)항과 음의 에너지(인력)항의
합을 최소화하도록 작용
에너지가 최소인 그 거리를 결합길이라 한다
3
화학결합의 유형


에너지의 영점은 멀리 떨어진 원자들을 가지고 정의
매우 짧은 거리에서 원자들이 가깝게 근접해 있을 때,
반발력이 중요해지므로 에너지는 급격히 상승한다.
4
공유결합



수소 분자와 같이 전자를 핵 사이에 공유하는 다른
많은 분자들에서 고려하는 결합유형을 공유결합이
라 한다.
결합은 전자를 공유하기 위한 두 핵의 상호인력에
기인 공유결합에서 두 동일한 원자들은 전자를 동
등하게 나누어 갖는다
이온결합과 공유결합은 결합의 극단적인 유형으로
두 극단적인 결합 방법 사이에 원자들이 전자를 완
전히 옮길 정도로 크게 다르지 않지만 충분히 불균
등한 배분을 일으킬 수 있는 중간적인 결합을 극성
공유결합이라 한다
5
공유결합

Polarity

A molecule, such as HF, that has a center of
positive charge and a center of negative charge
is said to be polar, or to have a dipole moment.
6
Electronegativity


The ability of an atom in a molecule to attract
shared electrons to itself.
 = (H  X)actual  (H  X)expected
7
Electronegativity


전기음성도와 결합유형의 관계
극성도에 따라 다음 결합들을 나열하라

H-H, O-H, Cl-H, S-H, F-H
8
결합 극성과 쌍극자모멘트

HF와 같이 양전하 중심과 음전하 중심을 갖는 분자를
쌍극자라고 하거나 쌍극자모멘트를 가졌다고 한다.
 물분자에서의 전하분포 (a)
 전기장 안의 물분자 (b)
9
결합 극성과 쌍극자모멘트

암모니아 분자의 구조와 쌍극자모멘트

이산화탄소 분자
 반대되는 결합 극성도는 상쇄되고 이산화탄소분자는
쌍극자모멘트를 갖지 않는다
10
결합 극성과 쌍극자모멘트

극성결합을 갖지만 쌍극자모멘트가 없는 분자들
11
Achieving Noble Gas Electron
Configurations (NGEC)

안정한 화합물에 존재하는 원자는 일반적으로 영족
기체의 전자배열을 가진다


Two nonmetals react : They share electrons to
achieve NGEC.
A nonmetal and a representative group metal react
(ionic compound) : The valence orbitals of the
metal are emptied to achieve NGEC. The valence
electron configuration of the nonmetal achieves
NGEC.
12
이온화합물의 화학식


이온화합물의 화학식을 예측하는데 있어 화학물질
이 항상 전기적으로 중성-같은 양의 양전하와 음전
하를 가진다-이라는 사실을 인식
이온화합물 내에서 영족 기체 전자배치를 갖는 일
반적인 이온들
13
Isoelectronic Ions


대부분의 이온반경은 이온화합물에서 두 이온
중심 사이의 거리를 측정해 결정한다
등전자 이온


Ions containing the the same number of
electrons (O2, F, Na+, Mg2+, Al3+)
O2(largest ) > F > Na+ > Mg2+ > Al3+(smallest)
14
이온의 크기

주기율표에서 원소의 위치와 관련된 이온의 크기들

아래로 갈수록 크기가 증가

등전자 이온에서 원자
번호가 증가할수록 크
기가 감소
15
Lattice Energy




분리된 기체 이온들이 이온성 고체를 형성하기 위
해 밀착될 때 일어나는 에너지 변화
M+(g) + X-(g)  MX(s)
Lattice energy is negative (exothermic) from
the point of view of the system
이원자 이온화합물의 형성
 에너지는
상태함수이고 합하면
전체반응이 되는 단계들로 반응
을 나눌 수 있다
 Li(s) + ½ F2(g)  LiF(s)
16
Formation of an Ionic Solid

Sublimation of the solid metal


[endothermic]
½ X2(g)  X(g)
[endothermic]
Formation of X- ions in the gas phase


M(g)  M+(g) + e-
Dissociation of the nonmetal


[endothermic]
Ionization of the metal atoms


M(s)  M(g)
X(g) + e-  X-(g)
[exothermic]
Formation of the solid MX

M+(g) + X-(g)  MX(s)
[quite exothermic]
17
Formation of an Ionic Solid

플루오르화리튬이 그 원소로부터 형성될 때 일어나
는 에너지 변화

Li(s) + F(g)  Li+(g) + F-(g)
18
Lattice Energy = k(Q1Q2 / r )


Q1, Q2 = charges on the ions
r = shortest distance
between centers of the
cations and anions
19
공유결합의 부분적 이온특성

세 개의 가능한 결합형태



(a) 동일한 원자 사이의 공유결합 형성
(b) 이온성과 공유성 성분의 극성 공유결합
(c) 전자의 공유가 없는 이온결합
20
공유결합의 부분적 이온특성

공유결합의 이온 성질과 결합한 원자들 사이의 전
기음성도 차이의 관계

이온 성질이 전기음성도 차이의 증가에 따라 증가한다.
그러나 가능한 최대 전기음성도 차이를 고려해도 이온
성질이 100% 에 해당하는 결합은 존재하지 않는다
21
Models

결합은 가능한 가장 낮은 에너지를 찾으려고 하는
계의 경향성의 결과이다


즉, 결합은 원자들의 집단이 원자가 단독으로 존재하는
것보다 안정한(에너지가 낮은) 경우에 일어난다
Models are attempts to explain how nature
operates on the microscopic level based on
experiences in the macroscopic world.
22
Fundamental Properties of Models




A model does not equal reality.
Models are oversimplifications, and are therefore
often wrong.
Models become more complicated as they age.
We must understand the underlying assumptions in
a model so that we don’t misuse it.
23
Bond Energies


Bond breaking requires energy (endothermic)
Bond formation releases energy (Exothermic)
24
Bond Energies

공유한 전자쌍이 늘어날수록, 결합길이는 짧아진다




단일결합
이중결합
삼중결합
H = D(bonds broken)  D(bonds formed)
energy required
energy released
25
Localized Electron Model




A molecule is composed of atoms that are bound
together by sharing pairs of electrons using the
atomic orbitals of the bound atoms.
분자에서 원자가전자 배치에 대한 설명은 루이스 구
조를(Lewis structure) 사용하고 있다
분자의 구조를 예측하는데 원자가껍질 전자쌍 반발
(VSEPR model)모형을 이용한다
원자궤도의 유형을 설명하는데 전자를 공유한 원자나
비공유 전자쌍을 가진 원자를 이용한다
26
Lewis Structure


Shows how valence electrons are arranged
among atoms in a molecule.
Reflects central idea that stability of a compound
relates to noble gas electron configuration.


루이스 구조는 원자가전자만을 보여준다
루이스 구조를 작성하는 요령



모든 원자들의 원자가전자를 더한다(전자의 총수가 중요)
속박된 원자의 각 쌍들 사이에 결합을 형성하는데 전자쌍
을 이용하라
수소의 경우 이전자 계로 두 번째 열의 원소들이 옥테트 규
칙을 만족하도록 남은 원자들을 배치하라
27
Comments About the Octet Rule




2nd row elements C, N, O, F observe the octet rule.
2nd row elements B and Be often have fewer than
8 electrons around themselves - reactive
3rd row and heavier elements CAN exceed the
octet rule using empty valence d orbitals.
When writing Lewis structures, satisfy octets first,
then place electrons around elements having
available d orbitals.
28
Resonance

공명은 특정한 분자에 대한 하나 이상의 유용한 루
이스 구조가 가능할 때 일어난다.

These are resonance structures. The actual
structure is an average of the resonance
structures.
동등한 루이스 구조는 동일한 수의 단일결합과 다
중결합을 가진다

29
Formal Charge

형식전하는 자유원자의 원자가전자수와(VE) 분자
내 원자로 있을 때의 원자가전자수의 차이이다



VE on free neutral atom
VE “belonging” to the atom in the molecule
형식전하 = (자유원자의 원자가전자 수) – (분자 내 원
자에 해당하는 원자가전자 수)
O C O
(-1)
(0)
(+1)
Not as good
O C O
(0)
(0)
(0)
Better
30
VSEPR Model

원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(VSEPR)


주로 전자쌍 반발을 최소화함으로써 주어진 원자를
둘러싼 구조를 결정할 수 있다.
Predicting a VSEPR Structure




Draw Lewis structure.
Put pairs as far apart as possible.
Determine positions of atoms from the way
electron pairs are shared.
Determine the name of molecular structure from
positions of the atoms.
31
VSEPR Model

선형구조
Cl
Be

삼각평면구조
Cl
Cl
180°
B
Cl

120°
Cl
정사면체 배열


반발력이 최소가 되는 전자쌍 배열
104.5°
32
VSEPR Model

삼각피라미드


NH3 분자는 네 개의 전자쌍을 갖는데 세 개의 결합쌍
과 한 개의 비 결합쌍이다
암모니아 분자 – 전자쌍들은 정사면체 배열을 갖지만
원자들은 정사면체 배열을 갖지 않는다
33
VSEPR Model

물분자의 V-형 분자구조


H2O 분자는 고립 전자쌍의 존재 때문에 V자 모양 혹
은 굽어진 구조를 하고 있다.
만일 고립 전자쌍이 없다면 분자는 직선 구조를 가질
것이며 두 결합의 극성이 상쇄되어, 물은 잘 알려진 극
성 물질과는 다른 성질을 가질 것이다
34
VSEPR Model

CH4, NH3, H2O 분자들의 결합각

고립쌍은 결합쌍보다 더 많은 공간을 요구하고, 결합쌍
사이의 각을 압박하는 경향이 있다.

결합쌍 사이의 결합각은 고립쌍 수가
증가하는 만큼 감소한다.
35
VSEPR Model

최소 반발을 갖는 원자 주변의 전자쌍 배열
36
VSEPR Model

정팔면체 PCl6- 음이온의 구조

XeF4의 루이스 구조

크세논 원자는 여섯 개의 전자쌍에
둘러싸여 정팔면체 배열을 갖는다
37
VSEPR Model

사각 평면구조


Xe-F 결합이 극성일지라도, 이들 결합의 사각평면 구
조는 극성을 상쇄시켜 쌍극자 모멘트를 가지지 않는다
XeF4의 가능한 전자쌍 배열
38
VSEPR Model


삼요오드 이온(I3-)의 중심 요오드 원자는 주변에 다섯 개
의 전자쌍을 갖는데 그들은 삼각이중 피라미드 배열을 요
구한다.
I3-에 대한 최종 분자구조는 선형이다
39
VSEPR Model

다중결합을 가진 분자의 구조

다중결합을 유효 전자쌍의 하나로 고려해야 한다
-
O
O

N
O
-
O
O
N
O
-
O
O
N
O
O
중심원자가 한 개 이상인 분자들
120°
N
O
O
40