암모니아의 혼성 오비탈구조

일단 저는 화학이라는 학문이 현상을 설명하는 이론을 만들어가는 학문이라고 생각합니다.

 

닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐 하는 말장난 같기는 하지만

 

암모니아가 sp3혼성이라서 삼각뿔모양이냐 삼각뿔 모양이라서 sp3 혼성이냐 하는 물음이 생깁니다.

 

실제로 라이너스 폴링 할아버지가 왜 혼성 이론을 만들었는지 정확하게는 잘 모르겠습니다.

 

아마도 CH4의 구조를 설명하려다 보니 혼성 이론을 도입하지 않았을까 하는게 제 추측입니다.

 

혼성을 안한다면 C가 4개의 H랑 결합을 할 수도 없고 4개의 C-H 결합이 동등하지도 않겠죠.

 

그런데 탄소는 4개의 수소랑 결합을 하고 4개의 탄소-수소 결합이 동등하니까 이를 설명하기 위해

 

혼성 오비탈이라는 개념을 도입하지 않았을까요? 게다가 s orbital의 파동 방정식과 px, py , pz orbital

 

의 파동 방정식을 합성해서 수학적으로 풀었을때 얻어지는 파동 방정식이 정확하게 분자 구조를 설

 

명하는 새로운 혼성 오비탈의 파동 방정식을 나타내게 된거죠.

 

만일 암모니아가 혼성을 하지 않는다면 아래와 같이 N-H가 90도의 각도로 만나게 될겁니다

NHN의 각도가 90도가 되겠죠. 그런데 실제는 이 각도가 90도가 아니라 107도정도가 된다는 것입니다.

그래서 2s와 2p의 혼성 오비탈의 파동 방정식을 새로 구하게 됩니다. 이때 px, py, pz 세 오비탈이 동등하게 결합함으로써 p 오비탈을 이룬다는 가정으로 식을 풀면

 

f= 0.88 2p+ 0.48 2s 을 얻게 되고 발견될 확률은 파동 방정식의 제곱으로 표시되므로

 

결국 (0.88)^2=0.77 만큼의 2p orbital과 (0.48)^2=0.23만큼의 2s orbital이 혼성된 새로운 sp3혼성 오비

탈을 얻게 됩니다. 약 1:3의 비율로 혼성이 되죠.

결국 혼성오비탈에 의한 분자구조는 아래 그림과 같습니다.

이상의 내용과 그림은 Roger L. Dekock과 Harry B. Gray가 쓴 "Chemical structure and Bonding" 의

 

151-152쪽의 내용을 참고로 한 것입니다.