제 1 장
1. 원자와 분자
원자는 양전하를 가진 핵과 음전하를 가진 전자로 구성되어 있다. 전자는 쉬지않고 움직이나 완전히 자유로운 것은 아니고 그들이 가지고 있는 에너지의 차이에 따라 원자 내의 특정공간에 존재한다. 이러한 전자가 발견될 수 있는 공간은 오비탈이라 불린다. 원자들은 화학결합에 의하여 결속되어 분자 (molecule)를 형성한다.
2. 화학결합
원자들은 이온결합 또는 공유결합을 통해 화합물인 분자를 형성한다. 이들이 화합물을 이루는 이유는 그것이 보다 안정하기 때문이다.
이상기체들의 안정성은 최외각 껍질 (원자가 껍질)에 8개의 전자를 가지기 때문이다. 따라서 이상기체에 가까운 전자배치를 가지는 원소들은 이상기체의 전자배치를 가지려고 한다.
2-1. 이온결합: 주기율표의 왼쪽에 있는 원소들은 전자 하나를 잃고 양이온이 되려는 경향 (전기양성)이 있고, 주기율표의 오른쪽에 있는 원소들은 전자 하나를 받아들여 음이온이 되려는 경향 (전기음성)이 있다. 따라서 이 둘 간에는 화학결합이 가능해진다. 이것이 이온결합이다. Na+와 Cl-는 서로 다른 전하 사이의 정전기력에 의해 결합하여 NaCl을 형성한다.
2-2. 공유결합: 주기율표의 중간에 위치한 원소들은 전자를 잃거나 얻어서 이상기체의 전자배치를 가지기가 어렵다. 따라서 전자를 공유하는 결합을 이루게 된다.
2-3. 극성공유결합: 대부분의 화합결합은 이온결합과 공유결합의 중간에 놓이게 된다. 즉, 결합전자는 어느 한쪽의 원자에 의해 더 많이 끌리게 된다. 이것을 극성공유결합이라 한다. 그것은 결합이 극성을 가지기 때문인데 이는 각 원자의 전자를 끌어당기는 고유의 능력인 전기음성도에 기인한다. 전기음성도가 작은 것과 큰 것 간의 결합시에는 전자들이 전기음성도가 큰 원자로 끌리게 되어 극성을 띠게 된다. 이것을 부분 양전하 또는 부분 음전하로 표시한다. 이와 같이 한 원자가 결합을 극성화하는 힘을 유발효과라 부른다.
3. 공유결합의 형성
공유결합에서는 원자 오비탈들의 겹침이 일어난다. 두 개의 원자가 공유결합을 이룰 때 두 개의 원자 오비탈은 겹쳐져 분자 오비탈을 형성한다.
시그마 결합: 두 개의 원자핵을 연결하는 축에 대칭인 결합을 시그마결합이라 부른다.
파이 결합: 이웃하는 p 오비탈들의 겹침에 의해 형성되는 결합으로 전자구름은 시그마 결합의 상하에 놓인다. 이 결합은 시그마 결합에 비해 느슨하다.
탄소의 공유결합
sp3 혼성궤도: 탄소원자에서는 전자 6개가 1s에 2개, 2s에 2개, 그리고 2px와 2py 각각에 1개씩 위치하고 있다. 2s와 2p의 전자들은 에너지 상태가 조금 다르므로 다른 반응성을 가질 것으로 예상된다. 그러나 2s의 전자 하나는 2p로 이탈하여 2s에 남아있는 전자 하나와 2p에 존재하는 전자 3개는 에너지 준위가 또같은 새로운 궤도 (혼성궤도)가 4개 만들어진다. 이 새로운 궤도가 s 궤도도 p 궤도도 아닌 전혀 새로운 sp3 혼성궤도이다. 이 궤도에서는 정사면체의 중심에 원자핵이 위치하여 전자궤도는 4개의 꼭지점 방향을 향하고 있다. 따라서 메탄에서는 정사면체의 중심에 탄소가 있고, 4개의 꼭지점에 수소가 위치하는 정사면체의 모양이 형성된다.
sp2 혼성궤도: 에틸렌 (C2H4)의 경우는 탄소원자가 2pz를 남겨둔 채 2s, 2px, 2py 3개가 sp2 혼성궤도 3개를 만든다. 이들 중 1개의 sp2 궤도가 중첩되어 C-C 결합을 이루고 나머지는 수소와 중첩되어 CH2-CH2 결합이 형성된다. 그리고 이들은 모두 동일 평면 상에 위치한다. 마지막으로 각 탄소에 남아있는 2pz는 서로 중첩되어 C-C 결합축에 수직인 파이 결합을 이루게 된다.
sp 혼성궤도: 아세틸렌 (C2H2)의 경우는 탄소 원자가 2s와 2px 두 개만으로 sp 혼성궤도 2개를 만든다. 이들 중 1개가 중첩되어 C-C 결합을 이루고 나머지 하나는 수소와 중첩되어 CH-CH 결합이 형성된다. 각 탄소에 남아있는 2py와 2pz는 서로 중첩되어 두 개의 파이결합을 이루게 된다.