기초 일반 화학 class 5 - kinx cdn

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기초 일반 화학 – Class 5

2016. 4. 7.

일반강좌 (공통교양)

참고문헌

참고문헌: (1) 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김. (2) 응용을 위한 대학 화학, 대학화학교재편찬위원회 편 (지구문화사) 그 외 참고문헌 및 인터넷 자료 등

담당교수: UST-ETRI 차세대소자공학과 윤 선진 (sjyun@etri.re.kr)

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Contents

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전자쌍, 분자의 Lewis 구조식

VSEPR rules

혼성궤도와 화학결합

Grephene (그래핀)이 무엇인가?

유기화합물과 탄화수소

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화학결합과 분자의 구조를 어떻게 설명하나?

Molecular

Formula

Molecular shape

and e- group

arrangement

Lewis

structure

Hybrid orbitals

MO Theory

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전자쌍, 분자의 Lewis 구조식

공유 결합의 Lewis 모형 – 전자가 원자들 사이에서 공유되어 공유결합을 이루는 것을 시각화

- Octet rule: 공유결합 화합물에서 수소를 제외한 모든 주족 원소들이 각각 8개의 전자로 둘러싸이도록 배치. 전자 2개가 한 개의 결합손을 형성

- 이중결합

- 삼중결합

- 탄소 간의 결합

4

8 8 8

C H C H

H H

H H

C C

H

H

H

H

C H C H

단일결합 이중결합 삼중결합

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- 형식전하 (formal charge) : Lewis 구조에서 공유하는 전자들을 꼭 같이 나누어가졌을 때의 그 원자가 가질 수 있는 전하 (실

제 전하는 아님)

-1 +1

5

Lewis 구조식의 형식전하 (formal charge) 계산법과 활용

- 형식 전하 (formal charge) 의 계산법 (예, 아자이드화 이온)

가장자리에 있는 N: 원래 최외각 전자 5 – 비결합 전자쌍 전자 4 – (1/2)*4 = -1 가운데 있는 N: 5 – 0 – 2*(1/2)*4 = 1 총 전하 = 2 x(-1) + 1 = -1 : 다원자이온의 알짜전하량과 일치

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(퀴즈 1) POCl3의 Lewis 점 구조를 그리고, 각 원자들의 형식전하를 표시하시오.

(1) 분자내의 모든 전자수 = 5 (P) + 6 (O) + 7 x 3 (3 Cl)= 32

(2) 총 5개의 원자이므로 octet rule에 의하면 40개의 전자가 필요

(3) 40 – 32 = 8 4개의 결합에서 8개의 전자 (4개의 단일결합)가 공유될 수 있음

(4) 만약 2개 이상의 구조식이 가능할 경우 형식전하의 계산치가 가장 작은 것을 선택함.

Lewis 구조식의 형식전하 (formal charge) 계산법과 활용

6

+1

-1

0

0

0 P 의 형식 전하 = 5 – 4 = 1

O 의 형식 전하 = 6 – 6 – (1/2) x 2 = -1

Cl 의 형식 전하 = 7 – 6 – (1/2) x 2 = 0

알짜전하량 = 0

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Lewis 구조식의 공명 구조

- 어떤 분자나 이온에 대하여 두 개 이상의 동등한 Lewis 구조를 그릴 수 있을 경우

O=O - O O - O=O O-O 단일결합 길이: 0.121 nm O=O 이중결합 길이: 0.149 nm O3의 두 결합길이는 동일하게 0.128 nm

공명 혼성 (resonance hybrid) 구조

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Octet Rule 의 한계

(1) 홀수 개의 전자를 가진 분자

(N=O)

(2) 8 전자 결핍 분자

(3) 3주기 이후의 원소들의 경우 Rule에서 벗어날 수 있다.

BF3

SF6

8

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VSEPR Theory

Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) rules:전자쌍 반발이론

: 전자쌍의 정전기적인 반발력을 고려하여 분자들의 모양(구조)을 예측하는데 사용되는 모델

: 원자를 둘러싸고 있는 최외각 전자쌍은 서로 반발 반발력을 최소화하도록 원자 배열

중심원자에 대한 결합 원자들의 배열을 결정 분자의 구조 결정

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전자가 존재하는 영역 : Electron Domains (ED)

핵

Bonding e- pair

핵

Nonbonding e- pair

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분자의 구조를 표시하는 방식 (모형) 1) ED geometry : 결합 및 비결합 전자쌍을 ED로 표현하여 중심원자와 결합 원자들의 배열을 나타낸 구조 2) Molecular geometry: 중심원자와 결합원자들의 결합 구조를 간단히 나타낸 모양

2) Molecular geometry

109.5o

1) ED geometry

109.5o

C

Cl

O

Cl 124.3o

124.3o

111.4o

(예) COCl2

10

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(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)

VSEPR 이론으로 예측한 분자의 구조

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SN = 2

Example

Bonding domains = 2

Nonbonding domains = 0

Bonding domains = 3

Nonbonding domains = 0

Bonding domains = 2

Nonbonding domains = 1

120o

118o

12

SN : 중심원자의 입체수 (steric number)

SN = 3

SN = 중심원자에 결합된 원자수 + 고립전자쌍 수

Steric Number와 분자의 구조

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Bonding domains = 4

Nonbonding domains = 0

Bonding domains = 3

Nonbonding domains = 1

Bonding domains = 2

Nonbonding domains = 2

109.5o

107o

104.5o

13

SN = 5 이상 : 유사한 규칙이 적용

SN = 4

Example

(퀴즈 2) SiH4와 ClO3+ 의 구조를 SN을 구하여 예측하시오.

Steric Number와 분자의 구조

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Larger Molecules

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다원자분자의 쌍극자 모멘트

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(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)

CO2

COS

H2O

CCl4

nonpolar nonpolar

polar

polar

VSEPR 이론의 한계: V족과 VI 족의 수소화물, H2S, H2Se, PH3, AsH3 의 구조 (결합각: 91 ~

93o) 가 사면체에서 크게 벗어남을 설명하지 못함.

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전자 Orbital과 화학결합

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K(n=1) 1s

L(n=2) 2s 2p

M(n=3) 3s 3p 3d

N(n=4) 4s 4p 4d 4f

O(n=5) 5s 5p 5d 5f

P(n=6) 6s 6p 6d

Q(n=7) 7s 7p

Outer

shell

s orbital

p orbital

d orbital

f orbital

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Orbital의 중첩과 결합

Sigma () 결합 : 핵간의 직선 축을 따라 핵 사이에 전자밀도가 밀집해있음.

s + p p + p s + s

Pi () 결합 : 핵 사이의 축을 중심으로 아래와 위에 전자가 분포

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중첩 중첩 중첩

(예) H2 HF Cl2

+

p p p p π-bond

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Valence Bond Theory - 혼성 Orbitals

Hybridization(혼성화)

: 원자간 화학결합을 형성하기 위해 전자들이 서

로 결합하기에 적합하도록 새로운 hybrid

orbital로 혼합되는 것.

Hybrid orbital의 모양과 배열은 전자쌍 간의

반발력이 최소화되는 구조로 결정됨.

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2 개의 sp 혼성 궤도 결합 : BeF2, HgCl2, etc.

s, p sp

s, p, p sp2

s, p, p, p sp3

3 개의 sp2 혼성 궤도 결합 : BF3, etc. 4 개의 sp3 혼성 궤도 결합 : CH4, NH3, etc.

Be : He2s2 He2s1p1

B: He2s22p1 He2s1p2

C: He2s22p2 He2s1p3

180o

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공유결합: 단일 & 다중 결합

단일결합: 결합

결합의 핵간 축 주위로 전자밀도가 대칭적.

결합의 축을 중심으로 자유 회전

다중결합: 결합이 기여

(1)이중 결합 분자는 편평한 평면구조. 회전 불가능

- 결합은 결합보다 약하다. - sp, sp2, sp3 혼성궤도 형성에 관여하지않는 p orbital의 중첩에 의해 형성

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C2H4 sp2

π-bond

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(2) 삼중 결합

C2H2 sp

π-bond

π-bond

pz

py

공유결합: 다중 결합

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Conjugated polymers : backbones of continuous sp2 hybridized carbon centers

Delocalized electrons: electrons in a molecule, ion or solid metal that are not

associated with a single atom or one covalent bond

Conjugated Polymers

six electrons

over the C6 ring

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Poly(p-phenylene vinylene) (PPV)

C sp2 hybridized

PEDOT:PSS

poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

poly(styrenesulfonate)

전도성이 있고 투명함.

응용: 정전방지 코팅, 터치스크린, OLED 등의 투명전극, 등

PEDOT

PSS

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Graphene

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Graphene: graphite + suffix-ene

: a single planar sheet of sp2-bonded C atoms

: flat, regular hexagonal pattern

- 전자이동도 (>Si×100)

- 전기전도성 (>Cu×100)

- 내구성 (>강철×200)

- 열전도율 (>다이아몬드×2)

- 유연

- 투명

- 화학적 안정성 우수

- 매우 가볍다 (1m2 0.77g)

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Properties of Graphene

Mechanically strong and tough

Graphene is more than 100 times

stronger than the strongest steel.

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유 기 화 합 물

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유기 분자 화합물 - 탄화수소

유기화학 (Organic Chemistry): 탄소의 화합물에 대한 학문.

- 탄소화합물의 공유결합의 일반적 원리를 기반으로 하며,

- 주요 출발 물질은 석유.

- 탄화수소(hydrocarbon): 탄소와 수소로 구성

석유의 정제와 탄화 수소

- 원유: 탄화수소가 주성분. 소량의 산소, 질소,

황 등이 포함

- 석유는 화학제품의 절반 이상의 원료. 에너지

문제와는 달리 대안이 없음.

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석유정제탑 (분별증류탑)

SK인천석유화학

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석유 분별 증류 탑

분별증류 : 탄화수소 혼합물을 끓는점 차이에 의해 분리

액체석유가스(플라스틱의 원재료, 연료 등, C3H8, C4H10) 나프타 (휘발유, 용매 등) 제트연료 디젤연료 난방용 기름, 윤활유 피치, 아스팔트

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(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)

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탄소의 특이성과 유기화합물

탄소 (carbon, C)

- 주기율표의 2주기 한가운데 위치

상대적으로 크기가 작다.

이중, 삼중 결합 형성이 가능하다. 탄소와 수소로 이루어진 무수한 화합물들이 있다.

4개의 결합을 가질 수 있고, 선형, 삼각형, 사면체 등 다양한 구조의 형성이 가능하다.

전기음성도가 중간치이므로 전기음성인 원소, 전기양성인 원소들과 모두 공유결합을 할 수 있다.

유기화합물 (Organic Compound)

- 구조의 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭

1828년 이전에는 유기화합물을 “생체가 생산하는 화합물질”로 정의. 예외로, 당시, 흑연, 다이아몬드, CO, CO2, 탄화염 등은 무기화합물로 분류된 후 지금까지 동일하게 분류

탄소, 수소 외에도 질소, 산소, 인, 황, 할로겐 등이 결합된 작용기를 가진 화합물 포함

화학의 영역에서 유기화합물을 주로 다루는 화학을 “유기화학”

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탄화수소의 종류

탄화수소 (hydrocarbon)

지방족 (aliphatic) 방향족 (aromatic)

alkane alkene alkyne cycloalkane

포화탄화수소 불포화탄화수소

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작용기에 의한 유기화합물의 분류

작용기 구조식 화합물명 화합물의 예

수산기 -OH 알코올, 페놀 CH3OH, C6H5OH (페놀)

알데히드기 -CHO 알데히드 HCHO (메탄알)

카르복시기 -COOH 유기산 CH3COOH (에탄산)

카르보닐기 -CO 케톤 CH3COCH3 (아세톤)

아미노기 -NH2 아민 C6H5NH2 (아닐린)

니트로기 -NO2 니트로화합물 C6H5NO2 (니트로벤젠)

에테르기 -O- 에테르 CH3OCH3(디메틸에테르)

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Normal Alkane

Normal alkane (n-alkane): straight-chain alkanes

- 단일 결합으로 서로 연결된 탄소원자의 사슬, CnH2n+2

- sp3 혼성궤도

- -bond 로 결합, 포화탄화수소

- 작용기 (alkyl-), -CnH2n+1 sp3

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분자식과 명명

CH4 : methane

C2H6: ethane

C3H8: propane

C4H10: butane

C5H12: pentane

C6H14: hexane

탄소의 수가 많아질수록 이성질체의 종류가 많아진다.

C4H10: butane (n-butane, isobutane)

C5H12: pentane (n-pentane, isopentane, neopentane)

C12H26 : 355 isomers

CH4 C2H6

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Branched chain alkane & Isomers

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n-butane

녹는점 -135oC, 끓는점 -0.5oC

2-methyl propane (iso-butane)

녹는점 -159.6oC, 끓는점 -11.7oC

구조 이성질체

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Long chain n-alkane의 형태

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straight-chain alkanes의 단일 결합으로

서로 연결된 탄소원자의 사슬로서 sp3 혼성

궤도 기본 구조 잘 유지

- 109.5o 각도 유지

- 다양한 형태로 실온에서 빠르게 모양 변형

- 탄소수가 증가할수록 분자량이 증가함에 따

라 분자간 분산력의 세기가 커지기 때문에

녹는점, 끓는점 증가

C16H34

(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)

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Cycloalkane

chair conformation

Angle-strained

boat conformation

Steric-strained

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안정성 Chair > Boat

CnH2n : cycloalkane

- sp3 혼성궤도

- C 6개 미만인 경우 ring에 강한

strain이 작용하여 C 6개인

cyclohexane 보다 반응성이 큼.

H H

H

H

H

H

C3H6

H

H

H

H

H

H

H

H

C4H8

C6H12

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Alkenes (Olefin 계)

CnH2n : Alkene

- 이중결합 (sp2 혼성궤도) 1개를 가짐

- (-ylene)을 붙여서 부름. ethylene, propylene, butylene, etc.

- chain을 구성하는 탄소의 수가 많을 경우 이중결합을 포함한 가장 긴 사슬에 번호를

붙이되, 이중결합 위치를 번호로 표시.

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<C4H8, 이성질체들 >

1-butene 2-butene 2-methyl-1-propene

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포화 탄화수소와 불포화 탄화수소의 화학 반응성의 차이

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촉매나 높은 온도가 필요.

낮은 온도에서도 빠른 속도로 진행되는 경향.

: 전자들은 상대적으로 핵에 약하게 결합되어 있어서 electrophilic reagent 에 대해 전자를 공급하는 역할을 쉽게 함.

(예)

친전자성

친핵성

촉매 (Pt, Pd, Ni, etc)

cis-addition

반응 메카니즘

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동일 구조

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geometrical isomers

cis-1,2dichloroetylene

(무색 액체, 끓는점 60oC)

trans-1,2dichloroetylene

(무색 액체, 끓는점 48.4oC)