원자궤도함수, 분자궤도함수 및 분자의모형현대화학은 양자화학의 발전으로 새로운 역사를 쓰고 있다. 물질의 성질과 구조 및 그 변화는 원자와 분자의 화학으로 설명할 수 있고 그 바닥에는 원자와 분자의 파동함수가 기본이 되고 있다. 원자들의 파동함수는 분자 내에서의 결합뿐만 아니라 분자간의 결합도 설명할 수 있다 따라서 현대의 화학을 하려면 이들 원자와 분자의 궤도함수와 친근하는 것은 그 출발점이라 할 수 있다. 이 컴퓨터 실험에서는 원자 궤도함수를 양자수에 따라 표시하여 본다실험 목적 및 개요원자 모형의 역사물질들과 화학반응의 성질을 설명하기 위해 많은 과학자들이 원자의 모형을 제시하였고, 기존의 원자모형으로 설명할 수 없는 현상들이 발견되면 기존 것이 수정되어 또 다른 모형이 제시되고, 그러한 일이 반복되면서 원자모형은 변천되어 왔다.① 돌턴의 원자 모델(1807년)가장 먼저 제시된 원자 모델이다. 돌턴은 '원자'는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자라고 정의하고 다음과 같은 조건과 구형의 단순한 원자모형을 제시하였다. 1. 자연계의 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 이루어져 있다. 2. 같은 종류의 원자는 모두 같은 크기와 질량을 가지고 있다. 3. 한 종류의 화합물은 항상 일정한 종류와 수의 원자로 이루어진다. 4. 화학변화가 일어날 때 원자는 서로 자리바꿈을 할 뿐 새로 생기거나 없어지지 않는다. 그러나 후에 원자핵 분열, 방사성 원소의 자연 붕괴로 인해 원자는 쪼개질 수 있다는 사실과 같은 원소의 원자라도 질량이 서로 다른 것들, 즉 동위원소가 존재한다는 점이 밝혀지면서 돌턴의 원자설은 수정이 불가피하게 되었다. 또한 돌턴은 화합물을 복합 원자라고 하였는데, 기체 물질은 원자가 아닌 분자로 존재한다는 사실이 밝혀져 돌턴의 원자설이 틀렸음이 밝혀졌다.돌턴의 원자 모델② 톰슨의 원자 모델(1904년)전자를 발견한 톰슨이 제안한 모형으로, 톰슨은 원자가 (+)전하를 띠고 있는 균일한 구이며, (-)전하를 띤 전자들이 듬성듬성 원자에 박혀있다고 생각했다. 이 모델은 원자의 전기적 성질의 일부를 설명할 수 있었지만 러더퍼드의 α 입자 산란 실험을 통해 이 모델의 문제점이 드러나게 되었다.③ 러더퍼드의 원자 모델(1911년)Rutherford는 α입자를 방출하는 물질을 조그만 구멍이 뚫린 납판 뒤에 놓아 가느다란 α입자선이 만들어지도록 하였다. α입자선은 금으로 된 얇은 막에 부딪히게 되어 있으며 투과 후 α입자가 닿으면 가시광선을 방출하는 황화아연으로 된 스크린막에 도달하게 하였다. 전하가 원자 부피의 전체에 걸쳐 균일하게 분포되어 있다는 Thomson 모형을 근거로 하면 α입자들은 거의 경로가 휘어지지 않고 막을 통과하리라고 예측된다. 그러나 실험결과 대부분의 α입자들의 경로가 크게 휘어지지 않았지만 일부는 매우 큰 각도로 산란되었다. 이 실험에 의하면 금원자내 양전하는 원자의 모든 질량을 갖고 아주 작은 부피에 밀집되어야 한 이를 원자핵이라고 부르게 되었다. α 입자 산란 실험을 통해 원자핵의 존재를 발견한 러더퍼드는 (+)전하를 띠는 양성자들이 원자핵 안에 빽빽하게 들어있고, 그 주위를 전자가 돌고 있는, 마치 행성이 태양 주위를 도는 것과 같은 모델을 제시했다. 러더퍼드의 모델에 따르면 원자 질량의 대부분은 아주 작은 부피의 원자핵이 차지하고 있으며 원자의 대부분은 비어 있다. 러더퍼드의 모델은 자신의 α 입자 산란 실험 결과와 잘 맞아 떨어지지만, 전자 궤도의 안정성을 설명할 수 없었다.④ 보어의 원자 모델(1913년)수소 원자의 불연속적인 스펙트럼을 관찰하고 그것을 토대로 만든 모델로, 전자는 일정한 궤도에서 원운동을 하며, 각 궤도는 연속적이지 않고 띄엄띄엄 떨어져 존재한다고 생각하였다. 그리고 전자가 궤도를 옮길 때에는 에너지의 출입이 뒤따른다고 설명한다. 보어의 모델은 이전의 모델들과는 달리 양자 이론을 바탕으로 하였으며, 현대적 원자 모델에 많은 영향을 끼쳤다.⑤ 현대적 원자 모델슈뢰딩거와 같은 학자들이 양자 역학을 토대로 하여 제시한 모델로 특정 전자의 위치와 운동을 정확하게 기술하는 것은 불가능하며 어느 공간에서 전자가 발견될 확률을 알 수 있을 뿐이라고 이야기한다. 그래서 이러한 확률을 계산하여 원자 내에서의 확률 분포를 구름처럼 나타내었고, 때문에 이를 전자구름 모델이라 한다.원자 궤도1) 보어의 원자 모델에서 나타나는 원자 궤도 보어의 원자 모델에서 전자는 일정한 궤도를 움직인다고 가정하고 있다. 이 때 전자들이 움직이는 궤도를 껍질이라고도 하는데, 핵과 가장 가까운 부분을 1번이라고 하고 그 뒤부터 2번, 3번의 형식으로 번호를 붙여간다. 1번 껍질은 K껍질이라고도 하며, 2번을 L껍질, 3번을 M껍질 그 이후부터 알파벳순으로 붙인다. 각 껍질들은 일정한 거리를 두고 떨어져 있는데, 1번과 2번 사이가 가장 멀고 그 다음이 2번과 3번 사이, 그 다음은 3번과 4번 사이가 가장 멀다. 그 이후의 껍질도 동일한 거리의 규칙을 가지고 있다. 주의할 점은 1번과 2번 사이의 거리가 2번부터 그 이후의 모든 껍질을 다 합친 거리보다 더 멀다는 것이다. 같은 식으로 2번과 3번 사이의 거리가 3번부터 마지막 껍질까지의 거리보다 더 멀다. 껍질은 핵과 가까울수록 안정하고 에너지가 낮다. 에너지를 받아서 들뜬 전자가 안정화되기 위해 에너지를 빛의 형태로 방출하면서 낮은 궤도로 떨어지는데, 이 때 나오는 빛을 찍은 것을 스펙트럼이라 한다. 스펙트럼은 전자가 어떤 궤도로 떨어지느냐에 따라 각각 다른 종류의 빛을 발산한다. 가장 안정적인 1번 궤도로 떨어지면 에너지가 높은 UV를 방출하고 이 것을 라이만 계열이라고 부른다. 전자들이 2번 궤도로 떨어지면 가시광선을 방출하고 이들을 발머 계열이라 한다. 3번 궤도로 떨어지면 파센 계열이라하고 적외선을 방출한다. 위의 내용을 그림으로 나타내면 다음과 같다.오비탈 각 궤도는 오비탈이라고 하는 공간에 전자를 가지고 있다. 원자핵에서 가장 가까운 오비탈로부터 1,2,3과 같이 숫자를 붙여 나가고, 오비탈의 종류와 형태에 따라 s, p, d, f 등의 이름이 붙는다. 원자핵에서 가장 가까운 오비탈은 1s오비탈이고 그 다음은 2s, 2p, 3s 등의 순서이다. 각 오비탈의 모양을 좌표축에 나타낸 것을 궤도함수라고 하는데, 궤도함수를 살펴보면 다음과 같다.1.1 Orbital Viewer를 이용한 원자궤도 함수보기1.1.1 S (1=0) 궤도함수 원형의 오비탈이며 전자는 2개가 들어간다. 1s 오비탈의 크기가 가장 작고 2s 3s로 갈수록 지름이 커진다.1.1 Orbital Viewer를 이용한 원자궤도 함수보기1.1.2 P (1=1) 궤도함수 s 오비탈 다음에 존재하고 x, y, z 축 각각에 아령모양의 궤도를 하나씩 가지고 있으며 각 축의 궤도에 전자가 2개씩 들어간다. 전체 p 오비탈에는 전자 6개가 들어간다.1.1 Orbital Viewer를 이용한 원자궤도 함수보기1.1.3 d (1=2) 궤도함수 p 오비탈 다음에 존재하고 5가지 종류가 있다. 각각의 오비탈에 전자는 2개씩 들어가며 총 10개의 전자가 들어간다. d 오비탈부터는 4개의 축을 사용하게 되어 손으로 그리기에는 어려움이 있다.1.1 Orbital Viewer를 이용한 원자궤도 함수보기1.1.4 f (1=3) 궤도함수 d 오비탈 다음에 존재하고 6가지 종류가 있다. 오비탈 하나에는 전자 2개가 들어가며 들어가는 전자의 총 개수는 12이다.1.2.1 SP 혼성궤도함수 오피탈에서는 s 오비탈은 구형, p 오비탈은 아령형의 전자구름을 나타낸다. P 오비탈에는 아령형 전자구름이 놓인 축에 따라 다시 x,y,z 3개의 서로다른 오비탈이 있다. 전자는 아래층의 오비탈을 치우면 연이어 윗층의 오비탈로 차들어간다. 혼성궤도함수 ( hybrid orbital) : sp, sp2, sp3 각 원자 궤도함수가 혼합되어 같은 수은 수의 혼성 궤도함수 형성 같은 모양과 에너지를 갖는다.1.2 Orbital Viewer를 이용한 혼성원자궤도 함수 만들기1.2.1 SP 혼성궤도함수 sp 혼 성 : s 오비탈 1개와 p오비탈 1개가 혼성화 → 직선형1.2 Orbital Viewer를 이용한 혼성원자궤도 함수 만들기Be의 전자배치는 1s2 2s2로 결합이 가능한 전자는 없다. 왜냐하면 최외각 전자가 2개로 s 오비탈을 전부 채워서 더이상 반응을 할 홀전자가 존재하고 있지 않기 때문이다. 하지만, 실제로는 2s 의 전자 1개가 p오비탈로 이동하면서 들뜬 상태인 2s1 2p1 으로 존재하여 2개의 홀전자를 갖게 된다. 그래서 Be가 H와 결합을 하게 되면 BeH2 가 형성된다. 베릴륨의 전자배치는 2s2로 1s 및 2s 오비탈에 전자가 모두 채워져 있어서 다른 원자와 공유결합을 하지 않을 것처럼 보이지만 실제로는 BeH2나 BeF2와 같이 결합을 한다. 이것은 2s의 전자 하나가 2p오비탈로 옮겨가면서 들뜬 상태가 되었을 때 가능하다. 혼성이 일어날 때 sp 오비탈은 서로 180°의 각을 이루어 전자들의 반발을 최소화한다. 혼성화를 거친 Be 원자는 2개의 수소와 공유결합을 형성한다. 이 때 결합 각도는 180°이다. 이렇게 이루어진 분자의 형태는 선형을 이룬다1.2.1 SP 혼성궤도함수 sp2 혼 성 : 1개의 s 오비탈과 2개의 p 오비탈에 의한 혼성 → 평면 삼각형 구조1.2 Orbital Viewer를 이용한 혼성원자궤도 함수 만들기B의 전자배치는 2s22p1로 결합이 가능한 전자는 2p의 1개의 짝을 이루지 않은 전자 뿐이다. B역시 탄소와 마찬가지로 혼성을 통하여 3개의 수소와 결합해서 BH3로 존재한다. 붕소의 전자배치는 2s22p1로 두개의 2전자와 1개의 p 전자가 혼성되어 3개의 동등한 sp2 오비탈을 형성한다. 세개의 sp2 오비탈은 삼각평면형으로 배치된다. 삼각 평면형태로 존재하는 붕소의 sp2 오비탈은 3개의 산소의 1s 오비탈과 결합을 한다. 이 때 형성되는 BH3는 삼각 평면의 형태를 취한다. 각 수소 사이각은 120°이다.1.2.1 SP 혼성궤도함수 sp3 혼 성 : s 오비탈 1개와 3개의 p오비탈이 혼성화 되어 만들어진 궤도 함수 → 정사면체 구조1.2 Orbital Viewer를 이용한 혼성원자궤도 함수 만들기{nameOfApplication=Show}
