와 중 무엇이 먼저 만들어지나요?

단일 결합은 언제나 하나입니다. 이중 결합은 하나에 하나가 더해지고, 삼중 결합은 하나에 둘입니다. 정면으로 겹치는 가 겹침이 크고 안정하므로 항상 먼저 자리를 잡습니다.

화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

분자 오비탈 이론

Q: 루이스 구조를 배웠는데 왜 또 다른 이론이 필요한가요?

루이스 구조는 빠르고 대부분의 경우 잘 맞습니다. 하지만 O2의 상자성, 공명 구조를 갖는 분자의 전자 비편재화, 분자가 흡수하는 빛의 색 같은 것은 설명하지 못합니다. 도구는 하나만 쓰는 것이 아니라, 묻는 질문에 맞는 것을 고르는 것입니다.

원자 오비탈의 선형 결합(LCAO)으로 결합 오비탈과 반결합 오비탈을 형성하는 양자역학적 결합 이론. σ, π 분자 오비탈로 구분된다.

원자 오비탈들을 겹쳐서 더하고 빼면 분자 전체에 퍼진 새 오비탈(결합 오비탈과 반결합 오비탈)이 생긴다고 보는, 양자역학적인 결합 이론입니다.

두 개의 파동을 겹치는 것과 같습니다. 마루끼리 만나면 보강되어 더 큰 파동(결합 오비탈)이 되고, 마루와 골이 만나면 상쇄되어 가운데가 텅 빈 파동(반결합 오비탈)이 됩니다. 오비탈도 파동이라 똑같이 행동합니다.

쉽게 말하면

루이스 구조는 전자쌍을 두 원자 사이에 점으로 찍어 놓는 그림입니다. 편리하지만, 전자가 분자 전체에 퍼져 있다는 사실은 담지 못합니다. 분자 오비탈 이론은 아예 출발점을 바꿉니다. 오비탈을 파동으로 보고, 두 원자의 오비탈을 겹쳐(선형 결합, LCAO) 분자 전체에 걸친 새 오비탈을 만듭니다.

여기서 지켜지는 철칙이 있습니다. 오비탈의 개수는 보존됩니다. 원자 오비탈 2개를 섞으면 분자 오비탈도 정확히 2개가 나옵니다. 하나는 두 파동이 보강되어 핵 사이에 전자 밀도가 몰린 결합 오비탈(에너지가 낮아짐), 다른 하나는 상쇄되어 핵 사이에 전자가 거의 없는 반결합 오비탈(에너지가 높아짐)입니다. 반결합 오비탈은 별표를 붙여 $σ^{*}$ , $π^{*}$ 로 씁니다.

겹치는 방식에 따라 이름이 갈립니다. 두 핵을 잇는 축을 따라 정면으로 겹치면 $σ$ , 축 옆으로 나란히 겹치면 $π$ 분자 오비탈이 됩니다. 정면으로 겹치는 쪽이 더 많이 겹치므로 $σ$ 가 더 안정합니다. 이 겹침의 기하는 부껍질(s·p·d·f 오비탈)의 모양에서 그대로 따라 나옵니다.

이 이론이 필요한 결정적인 이유가 있습니다. 루이스 구조로는 도저히 설명할 수 없는 사실들이 있기 때문입니다. 산소 분자 $O_{2}$ 는 루이스 구조로 그리면 모든 전자가 짝을 짓지만, 실제 산소는 자석에 끌립니다. 분자 오비탈 다이어그램을 그려 보면 반결합 $π^{*}$ 에 홀전자 2개가 남는다는 것이 자연스럽게 나옵니다. 이론을 바꿔야만 보이는 답입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$H_{2}$ — 가장 단순한 분자 오비탈

$1 s + 1 s \to σ_{1 s} (결합) 와 σ_{1 s}^{*} (반결합)$

수소 원자 두 개의 1s 오비탈이 섞여 분자 오비탈 2개가 생깁니다. 전자 2개는 에너지가 낮은 $σ_{1 s}$ 에 짝지어 들어가고 $σ_{1 s}^{*}$ 는 비어 있습니다. 결합 오비탈에만 전자가 있으니 수소 분자는 안정하게 존재합니다.
예시 2

$H e_{2}$ 는 왜 존재하지 않는가

$σ_{1 s}^{2} σ_{1 s}^{* 2}$

헬륨 두 개면 전자가 4개입니다. 결합 오비탈에 2개, 반결합 오비탈에도 2개가 채워집니다. 반결합이 결합을 정확히 상쇄해 이득이 0이 되므로 $H e_{2}$ 는 만들어지지 않습니다. 헬륨이 단원자 기체인 이유를 분자 오비탈 이론이 한 줄로 설명합니다.
예시 3

$O_{2}$ 가 자석에 끌리는 이유

산소의 분자 오비탈 다이어그램을 채워 보면, 마지막 전자 2개가 에너지가 같은 두 개의 $π^{*}$ 오비탈에 훈트 규칙에 따라 하나씩 흩어져 들어갑니다. 홀전자 2개가 남는 것입니다. 액체 산소를 자석 사이에 부으면 실제로 매달리는데, 루이스 구조로는 절대 예측할 수 없고 분자 오비탈 이론으로만 나오는 결론입니다.

원자가 결합 이론(루이스·혼성)과 분자 오비탈 이론

구분	원자가 결합 이론	분자 오비탈 이론
전자를 어디에 두는가	두 원자 사이에 국재된 전자쌍	분자 전체에 퍼진 오비탈
강점	그림이 간단하고 모양 예측이 빠름	자기적 성질·결합 차수·스펙트럼까지 설명
$O_{2}$ 의 상자성	설명하지 못함	$π^{*}$ 의 홀전자 2개로 정확히 설명
다루기	손으로 쉽게 그림	다이어그램을 채워야 하고 계산이 큼

자주 하는 오해

오비탈이 합쳐져 하나가 된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움원자 오비탈 두 개가 겹쳐서 결합 오비탈 하나가 만들어진다

실제로는원자 오비탈 두 개를 섞으면 분자 오비탈도 반드시 두 개가 나옵니다. 결합 오비탈 하나와 반결합 오비탈 하나입니다.

오비탈은 파동이고, 두 파동을 겹치는 방법은 더하기와 빼기 두 가지입니다. 더하면 보강되어 결합 오비탈, 빼면 상쇄되어 반결합 오비탈이 됩니다. 개수 보존을 놓치면 다이어그램의 층수 자체가 틀어져 결합 차수를 셀 수 없게 됩니다.

반결합 오비탈은 그냥 빈 자리라고 넘기기

이렇게 생각하기 쉬움반결합 오비탈은 어차피 안 쓰는 오비탈이니 무시해도 된다

실제로는반결합 오비탈에 전자가 들어가면 결합이 실제로 약해지고, 다 채워지면 분자가 아예 존재하지 못합니다.

반결합 오비탈은 핵 사이의 전자 밀도를 오히려 깎아내는 오비탈입니다.

H e_{2}

가 존재하지 않는 것,

O_{2}

가 삼중결합이 아닌 것 모두 반결합에 들어간 전자 때문입니다. 반결합 전자를 세지 않으면 결합 차수가 전부 틀립니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

부껍질(s·p·d·f 오비탈)고2 오비탈고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

결합·반결합 오비탈고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1루이스 구조를 배웠는데 왜 또 다른 이론이 필요한가요?

루이스 구조는 빠르고 대부분의 경우 잘 맞습니다. 하지만

O_{2}

의 상자성, 공명 구조를 갖는 분자의 전자 비편재화, 분자가 흡수하는 빛의 색 같은 것은 설명하지 못합니다. 도구는 하나만 쓰는 것이 아니라, 묻는 질문에 맞는 것을 고르는 것입니다.

σ

와

π

중 무엇이 먼저 만들어지나요?

단일 결합은 언제나

σ

하나입니다. 이중 결합은

σ

하나에

π

하나가 더해지고, 삼중 결합은

σ

하나에

π

둘입니다. 정면으로 겹치는

σ

가 겹침이 크고 안정하므로 항상 먼저 자리를 잡습니다.

Q3왜 결합 오비탈이 에너지가 낮아지나요?

두 파동이 보강되면 두 핵 사이에 전자가 발견될 확률이 높아집니다. 그 전자는 양쪽 핵에서 동시에 끌리므로 원자 하나에 있을 때보다 안정합니다. 반대로 반결합 오비탈에서는 핵 사이에 전자가 거의 없어(마디가 생겨) 두 핵이 서로 밀어내는 쪽으로 기울어 에너지가 높아집니다.

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

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

오류 신고하기

이 두 오비탈의 전자 수 차이로 결합의 세기를 숫자로 재는 법이 결합·반결합 오비탈에 있습니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

분자 오비탈 이론 지도에서 확인하기 →