원자가 결합 이론

(1)원자 오비탈과 공유 결합

현대적인 원자 모형에서는 전자가 존재할 확률이 높은 공간을 나타내는 오비탈 모형을 이용해서 전자의 위치를 표시한다.오비탈은s,p,d등이 있으며 각각의 모양은 다음과 같다.분자 안에서 공유 결합을 이루고 있는 두 개의 원자가 전자를 공유하기 위해서는 두 원자의 오비탈이 서로 겹쳐야 한다. 이렇게 오비탈의 겹침으로 공유 결합을 설명하는 이론이 원자가 결합 이론이다.오비탈의 겹침 중에서 가장 간단한 것은 수소 분자에서 볼 수 있는 수소 원자들의 '1s오비탈-1s오비탈'겹침이다.두 개의 원자 사이에서 반대 스핀의 홀전자를 갖는 오비탈들이 서로 겹치면서 공유 전자쌍이 만들어진다.공유 전자쌍은 두원자 상에 공유되면서 결합을 형성하게 되고,오비탈이 겹쳐야만 공유 결합이 형성될 수 있으므로 s오비탈을 제외한 다른 오비탈의 결합은 특정 방향으로만 생길 수 있게 된다.또한 오비탈이 겹치는 모양에 따라 공유 결합은 시그마 결합과 파이 결합의 두 가지 형태가 존재한다.1.시그마 결합: 두 개의 원자 오비탈이 핵과 핵 사이에 정면으로 겹쳐져 형성된 결합을 시그마 결합이라고 한다.이떄 서로 겹쳐진 부분의 모양이 결합 축을 중심으로 원통형 모양이 된다.수소 분자에서 생성되었던s-s,결합이 바로 시그마 결합이다.그 외에도p-p결합이나s-p결합도 시그마 결합이다 파이 결합 : p오비탈은 방향성이 있기 때문에 다른 방향으로의 겹침이 가능하다.그림과 같이 결합 축에 수직인 두 개의 p오비탈이 옆으로 겹쳐져 형성된 p-p결합을 파이결합이라고 한다.

파이 결합은 시그마 결합에 비해 짧은 거리에서만 오비탈이 겹쳐질 수 있고,겹치는 부분이 작기 때문에  결합의 세기도 더 약하다.따라서 두 원자 사이에 단일 결합이 생길 때에는 항상 시그마 결합이 먼저 생성되고,다중 결합을 형성 할 수 있는 나머지 전자가 있으면 파이 결합이 생성된다.결합 차수에 따라 형성되는 결합의 종류와 개수는 다음과 같다.(2)분자의 모양과 혼성 오비탈:원자 오비탈의 겹침으로만 공유 결합을 설명하려고 하면,실제 분자의 모양을 설명하기에 어려운 부분이 생긴다.따라서 모든 원자가 공유 결합을 형성할 떄 원자 오비탈이 직접중첩을 이루는 것 외에 다른 방법이 있어야 한다.바로 각 원자의 원자가 전자가 채워져 있는 s,p등의 오비탈을 적절히 혼성하여 새로운 혼성 오비탈을 만들어 결합하는 것이다.예를 들어 질소는 1s2 2s2 2p3의 전자 배치를 가지므로 암모니아에서 세 개의 수소는 p오비탈과 각각 시그마 결합을 생성할 것으로 예측된다.하지만 세 개의 p오비탈은 서로 90도의 각도를 갖는 데 비해 암모니아에서 수소 질소 수소의 결합각은 107도로 차이가 크다.메테인의 결합각 109.5도 역시 p 오비탈의 겹침으로는 설명하기 어렵다.메테인의 탄소는 네 개의 동등한 결합을 가져야 하고,결합 사이의 각도는 109.5도가 되어야 한다.결국 이런 결합을 형성하기 위해 탄소는 네 개의 원자 오비탈을 혼성하여 네개의 sp3 오비탈을 만든다.sp3혼성 오비탈에는 1개의 s오비탈,3개의 p 오비탈이 사용되며 총 4개의 sp3오비탈이 만들어진다.즉,sp3라는 이름은 혼성에 참여한 오비탈의 종류와 수를 나타낸 것이다.sp3오비탈은 p오비탈과 비슷한 모양을 갖고 임ㅆ지만 한쪽이 크고,반대쪽은 작은 비대칭 형태를 갖는 것이 특징이다. 네 개의 sp3오비탈은 핵을 중심으로 모여서 서로 109.5도의 사면체 구조를 갖는다.

사면체 구조

메테인,암모니아,사염화 탄소등 중심 원자가 4개의 전자쌍을 갖는 분자들은 모두 sp3혼성 오비탈을 갖는다.마찬가지 방식으로 중심 원자가 3개의 전자쌍을 갖는 분자는 sp2혼성 오비탈,2개의 전자쌍을 갖는 분자는 sp혼성 오비탈을 갖는다.(3)탄소 화합물의 결합 혼성 오비탈은 특히 탄소 화합물의 구조와 성질을 이해하는 데 도움이 된다.에텐은 탄소와 탄소 사이에 2중 결합을 형성하는 탄화수소이다.에텐에서 탄소는 세 방향의 결합을 갖고 있으므로 sp2혼성 오비탈을 갖고,혼성에 참여하지 않은 하나의 p오비탈이 남는다.탄소의 sp2오비탈 중 하나는 이웃한 탄소와 시그마 결합을 형성하고 나머지 2개의 sp2오비탈은 수소의 1s 오비탈과 시그마 결합을 형성한다.탄소에 남아있던 하나의 p 오비탈은 이웃한 탄소의 p 오비탈과 겹쳐 파이 결합을 형성한다.에텐이 기하 이성질체를 갖는 것은 파이 결합이 방향성을 갖기 떄문이다.탄소의 이중결합을 하고 있는 탄소가 회전하려면 파이 결합을 구성하는 p오비탈 겹침이 깨어져야 하므로 많은 에너지가 필요하고,입자는 불안정해진다.따라서 이런 회전은 일어나지 않고,기하 이성질체는 서로 구분되는 화합물로 존재하게 되는 것이다.파이 결합은 시그마 결합에 비해 약하기 떄문에 알켄이나 알카인은 첨가 반응을 잘한다.

알카인

파이 결합이 끊어지면서 첨가되는 물질과 시그마 결합을 만들게 되는 것이다.또한 파이 결합은 공명 구조를 이해하는 데 도움이 될 수 있다.벤젠의 탄소는 세 방향으로 결합을 하므로 sp2혼성 오비탈을 갖는다.sp2 혼성 오비탈은 모두 시그마 결합에 사용되고,p오비탈에 남아있는 하나의 전자는 파이 결합을 형성하게 된다. 그런데 벤젠에서는 하나의 p 오비탈이 양쪽에 위치한 두 개의 다른 p오비탈과 겹치게 되고,전제첮ㄱ으로 6개의 p오비탈이 모두 연결된 상태가 된다.이때 전자는 p오비탈이 겹친 영역 안에서 공유되어 6개의 탄소위를 자유롭게 이동할 수 있게 되는 것이다.6개의 탄소에 6개의 전자가 퍼져 결합을 형성하므로 탄소와 탄소 사이에는 평균 1개의 전자가 존재한다.이것은 단일 결합의 절반에 해당한다.따라서 벤젠의 탄소-탄소 결합은 단일 겷바과 2중 결합의 중간 성격을 띠게 된다