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[유기화학] 2-4. 공명 (Resonance)

공명 구조(Resonance form): 원자가 전자 이론에서 특정 분자의 결합이 여러 구조의 기여로 결합되어 있을 때, 이를 설명하는 구조. 예를 들어, acetate ion은 아래와 같은 구조로 탄소가 하나의 산소와 이중 결합을 하고, 하나의 산소와는 단일 결합을 한다. 이때 어느 산소와 이중 결합을 하여야 하는가에 대한 문제가 생긴다. 실제 acetate ion의 구조는 두 구조의 중간 형태이며, 두 개의 산소 원자가 음전하를 나누어 갖고 잇고, 동등한 전자 밀도를 갖고 있다. 이때 두 개의 각각의 구조를 공명 구조라 부르며, 두 구조 사이의 차이점은 단지 파이 전자와 비공유 원자가 전자의 위치가 다른 데 있다. → 이때 acetate ion은 각각의 구조를 왔다 갔다 하는 것이 아니라, 각각 두 ..

[유기화학] 2-3. 형식 전하 (Formal charges)

형식 전하(Formal charge): 독립된 원자의 원자가 전자 수로부터 루이스 구조식에서 그 원자에 할당된 전자 수를 뺀 값 하나의 표현 형식으로 분자에 실제적인 이온성 전하가 존재하는 것을 의미하지 않음. 원자 사이의 결합 상태를 예측하고, 반응성 및 안정성을 비교하기 위해 구함. 형식 전하 = (유리 원자의 원자가 전자 수) - (결합성 전자 수/2 또는 결합 수) - (비공유 전자 수) 예를 들어 탄소는 네 개의 원자가 전자를 가지고 있고, 수소 4개와 결합을 이루어 methane 분자가 되어도 C-H 결합에 각각 하나씩 모두 네 개의 원자가 전자를 가지고 있다. 따라서 methane의 탄소 원자는 중성이고 형식 전하를 갖지 않는다. 마찬가지로 질소는 다섯 개의 원자가 전자를 가지고 있고, 세 ..

[유기화학] 2-2. 극성 공유 결합: 이중극자 모멘트 (Polar covalent bonds: Dipole moments)

각각의 원자가 전기음성도가 다르듯, 하나의 분자도 극성을 가질 수 있다. 분자의 극성은 분자 내 모든 각 합의 극성과 고립 전자쌍의 기여도의 벡터 합의 결과로 얻어진다. 이중극자 모멘트(쌍극자 모멘트, dipole moment, 𝜇): 분자의 알짜(net) 극성을 측정하기 위한 단위 분자의 이중극자 말단의 전하인 Q의 크기와 두 전하 사이의 거리 r을 곱한 것으로 정의됨. 즉, 𝜇 = Q x r 단위는 debyes(D)로 나타내며, 1 D = 3.336 x 10^(-30) C∙m water, methanol, ammonia의 이중극자 모멘트: 산소와 질소 원자에 있는 고립 전자쌍은 양으로 하전된 핵으로부터 공간적으로 멀리 튀어나와 있어 상당히 큰 전하 분리를 야기함으로써 이중극자 모멘트에 크게 기여하게 ..

[유기화학] 2-1. 극성 공유 결합: 전기음성도 (Polar covalent bonds: Electronegativity)

극성 공유 결합(polar covalent bond): 전기음성도가 다른 두 원자가 전자쌍을 공유하여 형성하는 결합. 결합 전자들이 결합하고 있는 두 원자 중 어느 한편 원자 쪽으로 더 많이 끌리게 되어 두 원자 사이의 전자 분포가 비대칭이 됨. 전기음성도(electronegativity, EN): 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력의 척도 전기음성도는 절댓값이 아닌 상대적인 값으로 전기음성도가 가장 큰 원소는 F (EN=4.0)이고, 가장 작은 원소는 Cs (EN=0.7)임. 주로 주기율표 왼쪽의 금속 원소는 전기음성도가 낮고, 주기율표 오른쪽의 할로겐 및 다른 반응성 비금속 원소들은 전기음성도가 높음. 결합하는 원자 간 전기음성도 차이를 △EN이라고 하면, △EN < 0.5..

[유기화학] 1-12. 화학 구조 그리기 (Drawing chemical structures)

축소 구조식(condensed structures): 탄소-수소 및 탄소-탄소 단일 결합은 나타내지 않음. ex. 탄소에 세 개의 수소가 결합되어 있으면 CH3이라고 나타냄. (3은 아래 첨자) 탄소 사이의 수평 방향 결합은 나타내지 않으나, 수직 방향 결합은 나타낸다. 또는, 묶어서 나타내기도 한다. (ex. 2-methylbutane) 골격 구조식(skeletal structure) 규칙 1. 탄소 원자는 흔히 나타내지 않는다. 대신 탄소 원자는 두 개의 선(결합)의 교차 지점과 각 선의 끝에 있다고 가정한다. 가끔 강조하거나 명확하게 하기 위해 탄소 원자를 표시하기도 한다. 2. 탄소에 결합된 수소는 그리지 않는다. 탄소는 항상 4가를 가지므로 각각의 탄소에 맞는 숫자의 수소를 마음 속에 그려 넣는..

[유기화학] 1-11. 화학 결합의 설명: 분자 궤도함수 이론 (Describing chemical bonds: molecular orbital theory)

분자 궤도함수(MO) 이론 (Molecular orbital (MO) theory) 공유 결합의 형성: 서로 다른 원자들에 있는 원자 궤도함수(파동 함수)들이 수학적으로 조합되어 분자 궤도함수(molecular orbital)를 형성함. 오비탈이 개별적인 원자에 속하기 보다는 분자 전체에 속하기 때문에 분자 오비탈이라고 함. 오비탈 조합이 일어나는 방법 두 가지 부가 조합(Additive combination): 에너지가 낮고 계란 모양을 한 분자 오비탈. 1s 원자 오비탈보다 에너지가 더 낮다 → 결합성 MO (bonding MO) 상쇄 조합(Subtractive combination): 두 핵 간에 하나의 마디(node)를 갖고 에너지가 높은 분자 오비탈. 1s 원자 오비탈보다 에너지가 더 높다 → ..

[유기화학] 1-10. 질소, 산소, 인 및 황의 혼성화 (Hybridization of nitrogen, oxygen, phosphorus, and sulfur)

질소: 고립 전자쌍을 하나 가지고 있어 최대 3개의 결합을 할 수 있음. ex. methylamine (CH3NH2): 네 개의 sp3 오비탈이 혼성화되어 있고, 이 중 한 오비탈에 고립 전자쌍이 들어가 있음. 산소: 고립 전자쌍을 두 개 가지고 있어 최대 2개의 결합을 할 수 있음. ex. methanol (CH3OH): 4개의 sp3 오비탈 중 두 개는 비결합성 고립 전자쌍이 들어가 있고, 나머지 두 오비탈이 결합 형성에 사용됨. 인, 황: 질소와 산소의 3주기 유사체. 하지만 외각 껍질의 팔전자계를 확장시킬 수 있어 전형적인 공유 결합 수보다 더 많은 결합을 형성할 수 있음. ex. methyl phosphate (CH3OPO3): 인이 산소 네 개와 결합하고 있으며, 그 중 한 산소와는 이중 결합..

[유기화학] 1-9. sp 혼성 궤도함수와 acetylene의 구조 (sp Hybrid orbitals and the structure of acetylene)

sp 혼성(sp hybrid): 한 개의 s 오비탈과 한 개의 p 오비탈이 혼성화한 오비탈. 두 개의 혼성 오비탈이 생기고, 두 개의 p 오비탈은 혼성화되지 않고 남아 있음. 두 sp 오비탈은 x축에서 서로 180도 떨어져서 놓여 있고, 남아 있는 두 p 오비탈들은 y축, z축 상에 수직. 탄소 간 삼중 결합의 형성 sp 혼성 오비탈이 정면으로 겹쳐져 강한 sp-sp 시그마 결합을 형성. 동시에 각 탄소의 py, pz 오비탈도 각각 측면으로 겹쳐져 py-py 파이 결합, pz-pz 파이 결합을 형성함. 이렇게 총 6 개의 전자를 공유하며 삼중 결합을 형성함. Methane, ethane, ethylene 및 acetylene에서 C-C 결합과 C-H 결합의 비교 Problem 1-13. Draw a li..

[유기화학] 1-8. sp2 혼성 궤도함수와 ethylene의 구조 (sp2 Hybrid orbitals and the structure of Ethylene)

단일 결합(single bond): 결합한 원자들 사이에 한 개의 전자쌍을 공유한 결합. 이중 결합(double bond): 결합한 원자들 사이에 두 개의 전자쌍을 공유한 결합. 삼중 결합(triple bond): 결합한 원자들 사이에 세 개의 전자쌍을 공유한 결합. sp2 혼성 오비탈(sp2 hybrid orbital): 한 개의 s 오비탈과 두 개의 p 오비탈이 혼성화하여 만들어진 오비탈. 탄소의 경우, sp2 혼성 오비탈을 만들면 혼성화되지 않은 p 오비탈 하나가 남음. 세 개의 sp2 혼성 오비탈은 서로의 결합각이 120도가 되도록 한 평면에 놓여 있고, 남아 있는 p 오비탈은 sp2 혼성 오비탈의 평면에 수직으로 배열됨. sp2 오비탈이 형성된 두 개의 탄소가 서로 접근하면 이들은 sp2-sp2..

[유기화학] 1-7. sp3 혼성 궤도함수와 ethane의 구조 (sp3 Hybrid orbitals and the structure of ethane)

Ethane: 탄소 두 개가 C-C 결합을 하고 있고, 각 탄소는 세 개의 수소와 결합을 하고 있는 분자. 각 탄소에 있는 한 개씩의 sp3 혼성 오비탈은 서로 시그마 겹침으로 두 탄소가 결합함. 각 탄소에 남은 세 개의 sp3 혼성 오비탈은 수소의 1s 오비탈과 겹쳐져 여섯 개의 C-H 결합을 형성함. Problem 1-8. Draw a line-bond structure for propane, CH3CH2CH3. Predict the value of each bond angle, and indicate the overall shape of the molecule. Answer. propane bond angle ∠CCC=112∘ ∠HCH=107∘ ∠CCH≈109∘ Problem 1-9. Convert..