혼성 오비탈이란? (What is hybrid orbital?)

나노재료에 대해 설명하기 위해 오비탈과 혼성 오비탈의 개념이 필수적으로 알아야 이해할 수 있으므로 이번 글에서는 혼성 오비탈에 대해 이야기해보겠습니다.

저번 글(오비탈이란? (Orbital))에 오비탈은 전자가 존재하는 확률적인 공간이라고 하였는데 부양자수에 따른 s, p, d 등 다른 모양의 오비탈이 나온다고 하였습니다.

 

이전 글인 오비탈이란? (Orbital)에서 밑에 그림과 같이 설명을 드렸습니다. 하지만 항상 이러한 모양으로 존재하지는 않습니다. 왜냐하면 s와 p를 생각해보았을 때 서로 겹치는 부분이 있어 서로 간섭을 하여 오비탈의 모양이 바뀌기 때문입니다. 아래 그림처럼 구처럼 생긴 s오비탈과 아령 모양의 p오비탈이 서로 간섭하여 기형적인 오비탈의 모습을 가지게 됩니다. 이때 에너지 준위는 p오비탈과 s오비탈의 중간 정도의 에너지 준위를 가지게 됩니다.

 

s,p,d-오비탈

혼성-오비탈-과정

 

혼성 오비탈을 이루는 원소는 많지만 가장 기본 원소인 탄소원자를 예로 들어 오비탈은 아래 그림과 같은데 2p 오비탈의 전자를 꽉 채우기 위해 2개의 전자가 필요하기에 수소원자 기준으로 2개가 결합이 가능합니다. 하지만 H-C-H 구조에서 탄소의 원자가 전자 수는 6개(수소 2 팔전자 규칙(2주기 원소는 최외각 전자의 개수가 8개이면 가장 안정함)에 위배되어 매우 불안정한 구조를 가집니다. 따라서 안정해지기 위해서 4개의 전자를 섞어 같은 에너지 준위로 혼성화를 합니다. 이렇게 되었을 때 탄소원자의 원자가 전자 수는 4개가 되어 총 4개의 수소가 결합이 가능하게 되어 팔 전자 규칙을 만족시킬 수 있습니다.

 

혼성-오비탈-예시

 

이러한 탄소기반 혼성 오비탈은 3가지로 분류가 가능합니다. 왜냐하면 혼성 말 그대로 s, p 오비탈들이 섞인다는 의미인데 이때의 경우의 수가 3가지(sp, sp2, sp3)이기 때문입니다. 먼저 sp3 혼성 오비탈이 있습니다. 바닥상태에 있던 2s 오비탈에 있던 전자 한 개가 전이상태가 되어 2p 오비탈로 이동하여 1개의 2s 오비탈과 3개의 2p오비탈이 생기게 되는데 이 4개의 오비탈을 섞어 동등한 에너지 준위를 가지는 새로운 오비탈이 만들어집니다. 이것이 sp3 혼성 오비탈입니다.

 

만들어진 sp3 혼성 오비탈은 4개의 이므로 4개의 결합 전자쌍을 가질 수 있습니다. 따라서 4개의 시그마 결합(단일 결합 4개)을 할 수 있고 이에 따라 수소 4개가 붙을 수 있기에 위의 그림과 같이 메탄(CH4)이 될 수 있습니다. C-H 결합이 안정화되려면 각 결합 간의 각도가 90°보다 109.5°가 되어야 훨씬 안정하기 때문에 메탄의 결합각은 109.5°입니다. (평면 상태가 아닌 3차원 입체 상태에서 안정성)

 

sp3-혼성-오비탈

3차원-sp3-혼성-오비탈

 

두 번째로는 sp2 혼성 오비탈입니다. sp3 혼성 오비탈과 마찬가지로 1개의 2s 오비탈이 들뜸 과정을 거치게 되고 2p 오비탈 하나를 제외한 2개의 2p 오비탈과 1개의 2s 오비탈이 혼성화를 하여 3개의 sp2 혼성 오비탈이 형성됩니다. 이때 남은 p 오비탈은 다른 p오비탈과 만나 파이 결합을 합니다. 여기서 1개의 시그마 결합과 1개의 파이 결합을 이중결합이라고 부릅니다. sp2 오비탈은 sp3 오비탈과는 다르게 120°의 결합각을 가지고 2차원 평면 구조의 특징을 가집니다.

 

sp2-혼성-오비탈

2차원-sp2-혼성-오비탈

 

마지막으로는 sp 혼성 오비탈입니다. 똑같이 2s 오비탈에서 들뜸 과정을 거친 후 1개의 2s 오비탈과 1개의 2p 오비탈이 혼성화 하여 2개의 sp 오비탈과 2개의 p오비탈을 가지게 됩니다. 3차원 sp3 오비탈, 2차원 sp2 오비탈과는 다르게 1차원 선형 구조를 가집니다. 여기서 1개의 시그마 결합, 2개의 파이 결합을 형성하여 삼중결합을 형성할 수 있습니다.

 

sp-혼성-오비탈

 1차원-sp-혼성-오비탈

 

sp3, sp2 sp 오비탈이 혼성화 될 때 2s 오비탈의 비율이 얼마큼 되냐에 따라 그 특성도 조금씩 달라지는데 우선 sp3 오비탈의 경우 1개의 2s 오비탈과 3개의 2p 오비탈이 혼성화 되었으므로 s오비탈은 1/4의 비율로 존재하고 sp2 오비탈은 1/3, sp 오비탈은 1/2의 분율을 가집니다. 그 결과 s오비탈의 성질이 가까워질수록 오비탈의 모양이 구형에 더 가까워지게 되고, 결합 세기도 s오비탈이 원자핵과 거리가 가까우므로 결합 세기가 강하고 결합 길이는 짧아지게 된다.

 

요약

결합 길이:     sp3> sp2 > sp

결합 세기:     sp> sp2 > sp3

결합각:       sp> sp2 > sp3

에너지 준위:  sp3> sp2 > sp

혼성오비탈-s오비탈-분율

혼성오비탈-에너지준위

 

다음 주제로는 벌크 구조와 나노구조의 차이점에 대해 설명하고 추가적으로 나노재료에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

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