원자가 결합 이론

원자가 결합 이론은 양자 역학적 모형의 원자 궤도가 어떻게 중첩되어 공유 결합을 생성할 수 있는지 이해하는 데 사용되는 방법입니다. 원자 상호작용이 시스템의 전체 에너지를 낮출 때 결합이 형성된다고 가정합니다. 수소 분자의 형성을 고찰해 봅시다.

매 원자는 1s 궤도에 하나의 전자를 가지고 있습니다. 멀리 떨어져 있을 때 수소 원자는 서로 끌어당기거나 반발하지 않으며, 시스템의 에너지는 0으로 간주됩니다. 원자들이 서로 가까이 오면서, 각 전자는 다른 원자의 핵이 끌어당기는 것을 느낍니다.

동시에, 전자는 핵처럼 서로를 밀어냅니다. 인력이 척력보다 강하면 원자가 서로 접근함에 따라 시스템의 에너지가 감소합니다. 전자-전자와 핵-핵 사이의 척력과 전자와 핵 사이의 인력이 균형을 이룰 때 최소 전위 에너지에 도달합니다.

수소 분자의 경우, 결합 길이가 74 피코미터일 때 이러한 현상이 발생합니다. 이때 두 수소 원자에서 1s 궤도의 상당한 중첩이 일어나 공유 결합을 형성합니다. 반대 스핀을 가진 두 전자는 양쪽 핵에 끌림을 느끼고 양쪽 원자 궤도가 공유하는 공간에 놓입니다.

만약 핵 사이 거리가 더 줄어들면, 주로 핵 사이의 정전기 척력으로 인해 에너지는 상승하기 시작합니다. 원자가 결합 이론은 화학 결합이 구형의 궤도 이외를 포함하여 부분적으로 채워진 원자 궤도의 중첩을 통해 발생한다고 제안합니다 불화 수소에서, 수소의 절반이 채워진 1s 궤도와 불소의 절반이 채워진 2p 궤도가 상호작용할 수 있습니다. p 궤도는 핵 사이 축을 따라 놓여 있고, 결합을 형성하는 수소의 s궤도와 중첩됩니다.

두 개의 비구형 궤도 사이에 단일 결합이 형성되면, 두 개의 궤도는 정면으로 중첩됩니다. 불소 분자의 공유 결합은 두 개의 절반이 채워진 p 궤도의 중첩으로부터 형성되며 최대 중첩과 더 강한 결합이 생기게 됩니다. 원자 궤도가 정면으로 중첩되어 형성되는 유형의 공유 결합을 시그마 결합이라고 부릅니다.