10.5: 원자가 결합 이론

원자가 결합 이론의 개요

원자가 결합 이론은 공유 결합을 두 개의 결합 원자 사이에 공유되는 전자 쌍을 생성하는 반쯤 채워진 원자 궤도(각각 단일 전자 포함)의 중첩으로 설명합니다. 한 궤도의 일부와 두 번째 궤도의 일부가 동일한 공간 영역을 차지할 때 두 개의 서로 다른 원자의 궤도가 겹칩니다. 원자가 결합 이론에 따르면 공유 결합은 두 가지 조건이 충족될 때 발생합니다. (1) 한 원자의 궤도가 두 번째 원자의 궤도와 겹치고 (2) 각 궤도의 단일 전자가 결합하여 전자쌍을 형성합니다. 이 음전하를 띤 전자쌍과 양전하를 띤 두 원자의 핵 사이의 상호 인력은 우리가 공유 결합으로 정의하는 힘을 통해 두 원자를 물리적으로 연결하는 역할을 합니다. 공유 결합의 강도는 관련된 궤도의 중첩 정도에 따라 달라집니다. 광범위하게 겹치는 궤도는 겹치는 부분이 적은 궤도보다 더 강한 결합을 형성합니다.

시스템 에너지에 대한 궤도 중첩의 영향

시스템의 에너지는 궤도가 얼마나 겹치는지에 따라 달라집니다. 수소 원자의 경우, 두 수소 원자가 서로 접근함에 따라 에너지의 합이 변합니다. 원자가 멀리 떨어져 있으면 겹치는 부분이 없으며 관례적으로 에너지의 합은 0이 됩니다. 원자가 함께 움직이면 궤도가 겹치기 시작합니다. 각 전자는 다른 원자에 있는 핵의 인력을 느끼기 시작합니다. 또한 전자는 핵과 마찬가지로 서로 밀어내기 시작합니다. 원자는 여전히 널리 분리되어 있지만 인력은 반발력보다 약간 더 강하고 시스템의 에너지는 감소하고 결합이 형성되기 시작합니다. 원자가 더 가까워질수록 중첩이 증가하므로 전자에 대한 핵의 인력은 전자 간 및 핵 사이의 반발력과 마찬가지로 계속 증가합니다. 관련된 원자에 따라 달라지는 원자 사이의 특정 거리에서 에너지는 가장 낮은(가장 안정적인) 값에 도달합니다. 결합된 두 핵 사이의 최적 거리는 두 원자 사이의 결합 거리입니다. 이 시점에서 인력과 반발력이 결합되어 가능한 가장 낮은 에너지 구성을 생성하기 때문에 결합은 안정적입니다. 핵 사이의 거리가 더 줄어들면 핵 사이의 반발력과 전자가 서로 더 가깝게 갇히게 되는 반발력이 인력보다 더 강해질 것입니다. 그러면 시스템의 에너지가 상승하여 시스템이 불안정해집니다.

결합 에너지

결합 에너지는 결합 거리에서 발생하는 에너지 최소값과 분리된 두 원자의 에너지 간의 차이입니다. 결합이 형성될 때 방출되는 에너지의 양입니다. 반대로, 결합을 끊는 데에는 동일한 양의 에너지가 필요합니다. H_2 분자의 경우, 74pm의 결합 거리에서 시스템은 분리된 두 개의 수소 원자보다 에너지가 7.24 x 10^−19J 더 낮습니다. 이것은 작은 숫자처럼 보일 수 있습니다. 그러나 우리는 열화학에 대한 이전 설명을 통해 결합 에너지가 종종 몰 기준으로 논의된다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어, H-H 결합 하나를 끊는 데는 7.24 × 10^−19 J가 필요하지만, H–H 결합 1몰을 끊는 데는 4.36 × 10^5 J가 필요합니다.

결합의 종류

두 궤도 사이의 거리 외에도 궤도의 방향도 중첩에 영향을 미칩니다(구면 대칭인 두 개의 s 궤도는 제외). 궤도가 두 핵 사이의 직선에서 겹치도록 방향이 지정되면 더 큰 겹침이 가능합니다.

두 s 오비탈의 중첩(H_2에서와 같이), s 오비탈과 p 오비탈의 중첩(HCl에서와 같이), 두 p 오비탈의 끝과 끝이 겹치는(Cl_2에서와 같이) 모두 시그마 결합(σ)을 생성합니다.

σ 결합은 전자 밀도가 핵간 축을 따른 영역에 집중되는 공유 결합입니다. 즉, 핵 사이의 선이 중첩 영역의 중심을 통과하게 됩니다. 루이스 구조의 단일 결합은 원자가 결합 이론에서 σ 결합으로 설명됩니다.

파이 결합(π 결합)은 두 개의 p 오비탈이 나란히 겹쳐서 발생하는 공유 결합의 한 유형입니다. π 결합에서 궤도 중첩 영역은 핵간 축의 반대편에 위치합니다. 축 자체를 따라 노드, 즉 전자를 찾을 확률이 없는 평면이 있습니다.

모든 단일 결합은 σ 결합인 반면, 다중 결합은 σ 결합과 π 결합으로 구성됩니다. 루이스 구조에 따르면 O_2는 이중 결합을 포함하고 N_2는 삼중 결합을 포함합니다. 이중 결합은 σ 결합 1개와 π 결합 1개로 구성되고, 삼중 결합은 σ 결합 1개와 π 결합 2개로 구성됩니다. 두 원자 사이에 형성된 첫 번째 결합은 항상 σ 결합이지만, 한 위치에는 단 하나의 σ 결합만 있을 수 있습니다. 다중 결합에는 하나의 σ 결합이 있고 나머지 하나 또는 두 개의 결합은 π 결합이 됩니다. 결합 에너지와 관련하여 평균 탄소-탄소 단일 결합은 347 kJ/mol인 반면, 탄소-탄소 이중 결합에서는 π 결합이 결합 강도를 267 kJ/mol 증가시킵니다. 추가 π 결합을 추가하면 225kJ/mol이 추가로 증가합니다. 다른 σ와 π 결합을 비교해 보면 비슷한 패턴을 볼 수 있습니다. 따라서 각각의 개별 π 결합은 일반적으로 동일한 두 원자 사이의 해당 σ 결합보다 약합니다. σ 결합에서는 π 결합보다 궤도 중첩 정도가 더 큽니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory.

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.