화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

혼성 오비탈

Q: sp3d나 sp3d2는 언제 쓰나요?

전자쌍 영역이 5개나 6개일 때입니다. PCl5처럼 결합이 5개면 sp3d, SF6처럼 6개면 sp3d2입니다. d 오비탈을 섞어야 하므로 3주기 이후 원소에서만 가능합니다.

Q: 혼성화가 다르면 결합 길이도 달라지나요?

네. s 성분이 많을수록 오비탈이 핵에 가깝게 붙어 있어 결합이 짧아집니다. sp(s 성분 50%)가 sp2(약 33%)보다, sp2가 sp3(25%)보다 결합이 짧습니다. 삼중 결합이 특히 짧은 데에는 이 효과도 한몫합니다.

결합 형성 시 원자 오비탈이 섞여 에너지·모양이 동등한 새 오비탈 생성. sp(직선형), sp²(삼각평면), sp³(사면체), sp³d, sp³d² 혼성화가 있다.

결합을 만들 때 중심 원자의 s 오비탈과 p 오비탈이 섞여, 에너지와 모양이 똑같은 새로운 오비탈들이 만들어진다고 보는 모형입니다.

물감을 섞는 것과 같습니다. 파란색 하나와 노란색 셋을 섞으면 똑같은 초록색 넷이 나옵니다. 색깔이 서로 다르던 오비탈들이 섞여 완전히 동등한 새 오비탈이 되는 것입니다.

쉽게 말하면

탄소의 전자 배치를 보면 문제가 생깁니다. 2s에 전자 2개, 2p에 전자 2개가 있으니 홀전자는 2개뿐이고, 그렇다면 결합을 2개만 만들어야 합니다. 그런데 메테인 $C H_{4}$ 에서 탄소는 결합을 4개 만들고, 그 4개는 길이와 세기가 모두 똑같습니다. 서로 성격이 다른 s와 p 오비탈로 결합했다면 4개가 같을 수가 없습니다.

혼성 오비탈은 이 모순을 푸는 모형입니다. 2s 오비탈 1개와 2p 오비탈 3개가 섞여, 에너지와 모양이 완전히 똑같은 $s p^{3}$ 오비탈 4개가 됩니다. 이 4개가 서로 최대한 멀어지려고 사면체 꼭짓점을 향해 뻗으므로 결합각이 $109. 5^{\circ}$ 가 됩니다. 분자 기하 구조에서 VSEPR로 얻은 답과 정확히 같은 결론입니다.

섞는 오비탈의 수가 곧 만들어지는 혼성 오비탈의 수입니다. s 하나에 p 셋이면 $s p^{3}$ 4개(사면체), s 하나에 p 둘이면 $s p^{2}$ 3개(삼각평면), s 하나에 p 하나면 $s p$ 2개(직선형)입니다. 그리고 그 개수는 VSEPR로 센 전자쌍의 수와 항상 일치합니다. 두 이론은 같은 사실을 다른 언어로 말하고 있습니다.

$s p^{2}$ 나 $s p$ 에서는 섞이지 않고 남은 p 오비탈이 생깁니다. 그 남은 p 오비탈이 옆으로 겹쳐 $π$ 결합을 만들고, 그래서 이중 결합과 삼중 결합이 가능해집니다. 부껍질(s·p·d·f 오비탈)의 모양이 결국 분자의 모양을 정하는 셈입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$C H_{4}$ — $s p^{3}$ , 사면체

$2 s + 2 p_{x} + 2 p_{y} + 2 p_{z} \to s p^{3} \times 4$

동등한 $s p^{3}$ 오비탈 4개가 사면체 방향으로 뻗어 수소 4개와 결합합니다. 네 결합의 길이와 세기가 완전히 같고, 결합각은 $109. 5^{\circ}$ 입니다. 남은 p 오비탈이 없으므로 $π$ 결합은 만들 수 없고, 그래서 메테인에는 이중 결합이 없습니다.
예시 2

$C_{2} H_{4}$ (에텐) — $s p^{2}$ , 평면

탄소마다 2s와 2p 두 개가 섞여 $s p^{2}$ 오비탈 3개가 삼각평면으로 뻗습니다. 이 3개로 수소 2개와 옆 탄소 1개에 $σ$ 결합을 만듭니다. 섞이지 않고 남은 p 오비탈 하나가 위아래로 서 있다가 옆 탄소의 p와 나란히 겹쳐 $π$ 결합을 이룹니다. 그래서 에텐은 평평하고 이중 결합을 가집니다.
예시 3

$H_{2} O$ 의 산소도 $s p^{3}$ 이다

산소 주위에는 결합 전자쌍 2개와 고립 전자쌍 2개, 합쳐서 전자쌍이 4개입니다. 그래서 산소도 $s p^{3}$ 혼성입니다. 고립 전자쌍 2개도 각각 $s p^{3}$ 오비탈 하나씩을 차지하고 있습니다. 결합이 2개뿐이라고 $s p$ 라고 답하면 안 되는 이유입니다.

순서대로 하면

혼성화 알아내는 순서

1중심 원자의 루이스 구조를 그립니다.
2중심 원자 주위의 전자쌍 영역을 셉니다. 결합 전자쌍과 고립 전자쌍을 모두 세고, 이중·삼중 결합은 하나로 셉니다.
3영역이 4개면 $s p^{3}$ , 3개면 $s p^{2}$ , 2개면 $s p$ 입니다.
4 $s p^{2}$ 면 남은 p 오비탈 1개, $s p$ 면 남은 p 오비탈 2개가 있고, 이것들이 $π$ 결합을 만듭니다.
5혼성 오비탈 개수와 전자쌍 영역 개수가 같은지 확인합니다. 다르면 어딘가 잘못 세었습니다.

자주 하는 오해

고립 전자쌍은 혼성 오비탈에 안 들어간다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움물은 결합이 2개니까 산소가

s p

혼성이고 직선형이다

실제로는고립 전자쌍도 혼성 오비탈에 들어갑니다. 전자쌍이 4개이므로 산소는

s p^{3}

이고, 물은 굽은형입니다.

혼성화는 '결합을 몇 개 만드는가'가 아니라 '전자쌍이 몇 자리 필요한가'로 정해집니다. 고립 전자쌍도 공간을 차지하고 반발을 일으키므로 자기 오비탈을 하나 가져야 합니다. 결합 수만 세는 습관을 들이면 물, 암모니아 같은 가장 중요한 분자들을 전부 틀립니다.

혼성화를 실제로 일어나는 물리적 과정으로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움탄소는 먼저 2s 전자 하나를 2p로 승격시킨 다음 오비탈을 섞고, 그러고 나서 결합한다

실제로는혼성화는 결합한 뒤의 결과를 설명하기 위해 사람이 만든 수학적 모형입니다. 시간 순서대로 일어나는 사건이 아닙니다.

교과서의 '승격 → 혼성 → 결합' 그림은 이해를 돕는 설명 순서일 뿐, 실제 원자가 그 단계를 밟는 것이 아닙니다. 실험이 알려 준 사실은 '

C H_{4}

의 네 결합은 동등하고 각도는

109. 5^{\circ}

'라는 것이고, 혼성 오비탈은 그 사실에 맞추어 만든 설명 도구입니다. 모형과 현실을 구별하지 못하면, 모형이 잘 안 맞는 경우가 나올 때 길을 잃습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

부껍질(s·p·d·f 오비탈)고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 기하 구조고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1VSEPR로도 모양이 나오는데 왜 혼성 오비탈을 또 배우나요?

VSEPR은 모양은 알려 주지만 '왜 그 각도로 결합이 가능한가', '이중 결합의 두 번째 가닥은 어디서 오는가'를 설명하지 못합니다. 혼성 오비탈은 오비탈의 언어로 그 답을 줍니다. 특히

σ

와

π

를 구별하려면 반드시 필요합니다.

s p^{3} d

나

s p^{3} d^{2}

는 언제 쓰나요?

전자쌍 영역이 5개나 6개일 때입니다.

PC l_{5}

처럼 결합이 5개면

s p^{3} d

S F_{6}

처럼 6개면

s p^{3} d^{2}

입니다. d 오비탈을 섞어야 하므로 3주기 이후 원소에서만 가능합니다.

Q3혼성화가 다르면 결합 길이도 달라지나요?

네. s 성분이 많을수록 오비탈이 핵에 가깝게 붙어 있어 결합이 짧아집니다.

s p

(

s

성분 50%)가

s p^{2}

(약 33%)보다,

s p^{2}

가

s p^{3}

(25%)보다 결합이 짧습니다. 삼중 결합이 특히 짧은 데에는 이 효과도 한몫합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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남은 p 오비탈이 옆으로 겹쳐 만드는 결합의 정체는 σ결합과 π결합에서, 최종적인 분자 모양은 분자 기하 구조에서 확인하세요.

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