일반화학 오비탈관련 질문

1. 정확하게는 같은주기에서  같은 종류의 오비탈을 비교했을때 (s오비탈끼리 or p오비탈끼리 등) 비교하려는 오비탈의 에너지 준위는 전기음성도가 큰 원자의 오비탈이 더 낮습니다.

전기음성도와 비례하는 값이 유효핵전하이고 유효핵전하가 크면 원자핵이 전자를 잡아당기는 능력이 크다는 의미이므로 전자는 그만큼 더 원자핵에 가깝게 위치하게 됩니다.

2. 2주기의 두 원자의 겹침을 가정하겠습니다.

우선 s오비탈은 구형입니다. p오비탈은 아령모양입니다. 두개의 원자가 결합을 할 때 보강간섭을 한 부분에 전자가 채워질 것입니다. 이 때 s오비탈과 s오비탈의 겹침으로 생긴 부분(밑에 그림 참고하세요)에 전자가 채워질것입니다. 전자가 채워지지 않았을 때에는 s오비탈의 에너지 준위가 p오비탈의 에너지 준위보다 더 낮습니다. 하지만 s오비탈에 전자가 채워져 있을때 여기에 또 p오비탈끼리의 겹침으로 생긴 보강간섭을 한 부분에 전자가 채워진다면 이 부분은 이미 시그마2s의 전자들이 채워져 있는 상태이므로 전자를 채우기 더 어려워 집니다. 즉 시그마2p오비탈의 에너지 준위가 상대적으로 높아지게 됩니다.

얼마나 더 높아지냐면 파이2p오비탈보다도 더 높아지게 되는 경우도 있습니다. = 결과적으로 오비탈 믹싱이 일어나게 됩니다.  (원래는 파이2p오비탈이 시그마2p오비탈보다 더 에너지 준위가 높습니다. 그러나 시그마2p오비탈에 전자를 채우려고 보니 이미 그 부분에, 즉 원자핵과 원자핵 사이 중앙 부분에 시그마2s오비탈의 전자가 먼저 들어와 있었고 시그마2p오비탈에 그대로 전자를 채울경우 이들 전자들간에 반발력 때문에 불안정한 상태가 될것입니다) 따라서 이 때 시그마 2p오비탈에 전자를 채우기 보다는 파이2p오비탈에 전자를 채우는게 더 안정한 상태가 됩니다.

주의하실점은 전자가 채워지지 않은 상황에서는 항상 시그마2p오비탈이 더 에너지준위가 낮은곳이라는 점입니다. 시그마2s오비탈의 전자가 채워지는 장소와 시그마2p의 전자가 채워지는 장소가 거의 겹치기 때문에 이들 전자들의 반발력을 피하기 위해 어쩔 수 없이 파이2p오비탈에 전자를 먼저  채우고 그 후에 시그마 2p전자를 채운다고 생각하시면 됩니다.

그럼 O2 와 F2에서는 왜 오비탈 믹싱이 일어나지 않는가? 에 대한 답변입니다..

1번질문에서 같은주기의 경우 오른쪽으로 갈수록 유효핵전하의 증가로 인해 오비탈의 에너지준위가 낮아진다고 설명드렸습니다. s오비탈, p오비탈 모두 낮아지죠.

그런데 이 때 2p오비탈의 경우 전자를 하나씩 더 채우면서 낮아지기 때문에(B,C,N,O,F순으로 갈수록 p오비탈에 전자하나씩을 더 채우죠?)  전자간 반발을 고려하면 2s오비탈보다 더디게 낮아집니다.

즉 2s오비탈과 2p오비탈의 에너지준위 차이가 점점 커지게 됩니다. O2정도쯤 가면 이 차이가 꽤 커서 2s오비탈과 2p오비탈의 상호작용이 별로 없어집니다. 따라서 이때부터는 시그마2s오비탈에 전자가 채워져도 그 다음 전자를 채울때 시그마2p 오비탈에 전자를 채우면 이들간에 반발력에 의한 효과가 그냥 파이2p오비탈에 전자를 채울때보다 크지 않을까? 의 고민을 할 필요가 없어집니다. 그냥 시그마2p오비탈에 채우는게 결과적으로 더 안정하게 됩니다.

   시그마 2s

 시그마 2p

왼쪽이 오비탈 믹싱이 안일어났을때 오른쪽이 일어났을때

그림출처는 전부 google 이미지 검색을 한 것입니다.