오비탈이란? (Orbital)

여러분 혹시 플립북을 아시나요? 여러 장의 그림을 이어지게 그려서 연속적으로 보여줌으로 마치 움직이는 것처럼 보이는 애니메이션의 일종입니다.

플립북

 

플립북은 사실 연속적인 것처럼 보이지만 불연속적인 움직임이죠 예를 들어 1,2,3,4,5 숫자를 보았을 때 연속적 나열이지만 1과 2사이에는 1.1, 1.111, 1.111111111…등 무한히 많은 수가 존재해서 사실 불연속적인 것과 같은 이치죠.

 

이게 에너지에서도 마찬가지인거 아셨나요? 에너지들은 불연속적인 값을 가집니다. 이를 주양자수(n)이라고하며 1,2,3 등 정수의 값을 가집니다. 주양자수에 커질수록 전자가 이동할수있는 범위(오비탈의 크기)가 커지며 원자핵으로부터의 거리가 멀어집니다. 그리고 그에 따른 특정 에너지 값도 바뀌게 되지요.

에너지는 불연속적이다

 

이에 따른 증거로는 각 전자는 특정 에너지 영역만을 가지며 원자핵 주위를 돌고 있기 때문에 스펙트럼 분석을 하면 연속적이지 않은 선형 스펙트럼으로 나온다는 것입니다.

 

선스펙트럼은 각 원자들이 에너지를 먹고 원자들이 가지는 특정 에너지만 다시 뱉은것이라고 이해하면된다 

 

그러나 이 또한 하이젠베르크의 불확정성 원리로 인하여 입자의 위치와 운동량을 그 두 가지를 동시에 관측하여 정확하게는 측정이 안되기 때문에 전자의 위치는 확률로써 표현합니다. (한가지를 측정하면 그와 연관성이 있는 다른 하나는 변화하여 불확실해진다는 의미입니다) 전자의 정확한 위치를 특정할 수 없기 때문에 점으로 표현하거나(점 하나하나가 전자를 의미하는 것이 아닌 확률로써 의미이므로 점이 많이 찍혀있는 부분일수록 전자가 존재할 확률이 높다는 것으로 이해하시면 됩니다) 공간으로 표현하는데 전자가 존재 가능한 공간을 오비탈 또는 궤도 함수라고 합니다. 확률적이기 때문에 원자핵에서 멀어질수록 확률을 떨어지므로 실제로는 점밀도로 표현하는 것이 더 바람직합니다. 하지만 전자가 존재할 공간이므로 주로 경계면으로 표현을 합니다.

 

점밀도/경계면

 

이러한 확률 함수인 오비탈은 특이한 모양을 가지는데 부양자수는 오비탈의 모양을 결정해주고 s, p, d, f ….으로 표시해주며 모양은 아래와 같습니다.

오비탈의 모양과 방향

 

이러한 오비탈은 주양자수가 달라질수록 크기 및 에너지 준위도 달라지므로 오비탈 표시는 주양자수, 오비탈모양, 오비탈의 방향 이렇게 표시해줍니다.

오비탈 표시법

 

먼저 s오비탈은 부양자수가 0인 오비탈이며 형태는 구형이고 모든 껍질에서 존재합니다. (1s, 2s, 3s …) 방향성은 구형이므로 존재하지 않는다. 주양자수가 커질수록 모양은 커지며 원자핵과의 거리에 따른 그래프는 아래와 같습니다.

원자와의 거리는 결합의 세기와도 관련이 있다

 

s오비탈 1개당 전자는 최대 2개 들어갈 수 있으며 화살표로 표시 해줍니다.

 

p오비탈은 부양자수가 1인 오비탈이며 아령모양이며, 2번째 껍질부터 존재합니다. (2p, 3p …) 그리고 s오비탈과는 다르게 x축, y축, z축으로 3개의 방향성을 가진다는 것이 특징이며 3개의 오비탈에 2개씩 전자를 가질 수 있으므로 총 6개의 전자가 들어갈 수 있습니다.

 

 

d오비탈은 부양자수가 2인 오비탈이며 3번째 껍질부터 존재합니다. (3d, 4d …) xyz좌표로 따지면 xy, yz, zx, x2-y2, z2인 5종류가 존재합니다. 대체로 모양은 네잎클로버와 비슷한 모양을 가지고 있으며, dz2 오비탈은 p오비탈과 모양이 비슷하지만 가운데 고리모양이 추가로 들어간 형태를 보이고 있습니다. 5개의 오비탈에 전자 2개씩 넣을 수 있으니 총 10개의 전자가 들어갑니다. 이런 d오비탈에 9개 이하의 전자가 들어갈 때 전이금속의 성질을 띄며 전이금속은 다양한 산화수를 가지며 고유의 색깔을 가지면서 d오비탈은 전자가 비편재화되어 자유전자로 돌아다닐 수 있어 전기 전도성이 높고 금속 결합을 해서 높은 밀도와 녹는점 끓는점이 높은 특징을 가집니다.

 

 

이번에는 오비탈에서 알아보았는데 다음에는 혼성오비탈에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

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