기초 일반 화학 class 5 - kinx cdn
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기초 일반 화학 – Class 5
2016. 4. 7.
일반강좌 (공통교양)
참고문헌
참고문헌: (1) 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김. (2) 응용을 위한 대학 화학, 대학화학교재편찬위원회 편 (지구문화사) 그 외 참고문헌 및 인터넷 자료 등
담당교수: UST-ETRI 차세대소자공학과 윤 선진 ([email protected])
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Contents
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전자쌍, 분자의 Lewis 구조식
VSEPR rules
혼성궤도와 화학결합
Grephene (그래핀)이 무엇인가?
유기화합물과 탄화수소
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화학결합과 분자의 구조를 어떻게 설명하나?
Molecular
Formula
Molecular shape
and e- group
arrangement
Lewis
structure
Hybrid orbitals
MO Theory
3
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전자쌍, 분자의 Lewis 구조식
공유 결합의 Lewis 모형 – 전자가 원자들 사이에서 공유되어 공유결합을 이루는 것을 시각화
- Octet rule: 공유결합 화합물에서 수소를 제외한 모든 주족 원소들이 각각 8개의 전자로 둘러싸이도록 배치. 전자 2개가 한 개의 결합손을 형성
- 이중결합
- 삼중결합
- 탄소 간의 결합
4
8 8 8
C H C H
H H
H H
C C
H
H
H
H
C H C H
단일결합 이중결합 삼중결합
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- 형식전하 (formal charge) : Lewis 구조에서 공유하는 전자들을 꼭 같이 나누어가졌을 때의 그 원자가 가질 수 있는 전하 (실
제 전하는 아님)
-1 +1
5
Lewis 구조식의 형식전하 (formal charge) 계산법과 활용
- 형식 전하 (formal charge) 의 계산법 (예, 아자이드화 이온)
가장자리에 있는 N: 원래 최외각 전자 5 – 비결합 전자쌍 전자 4 – (1/2)*4 = -1 가운데 있는 N: 5 – 0 – 2*(1/2)*4 = 1 총 전하 = 2 x(-1) + 1 = -1 : 다원자이온의 알짜전하량과 일치
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(퀴즈 1) POCl3의 Lewis 점 구조를 그리고, 각 원자들의 형식전하를 표시하시오.
(1) 분자내의 모든 전자수 = 5 (P) + 6 (O) + 7 x 3 (3 Cl)= 32
(2) 총 5개의 원자이므로 octet rule에 의하면 40개의 전자가 필요
(3) 40 – 32 = 8 4개의 결합에서 8개의 전자 (4개의 단일결합)가 공유될 수 있음
(4) 만약 2개 이상의 구조식이 가능할 경우 형식전하의 계산치가 가장 작은 것을 선택함.
Lewis 구조식의 형식전하 (formal charge) 계산법과 활용
6
+1
-1
0
0
0 P 의 형식 전하 = 5 – 4 = 1
O 의 형식 전하 = 6 – 6 – (1/2) x 2 = -1
Cl 의 형식 전하 = 7 – 6 – (1/2) x 2 = 0
알짜전하량 = 0
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Lewis 구조식의 공명 구조
- 어떤 분자나 이온에 대하여 두 개 이상의 동등한 Lewis 구조를 그릴 수 있을 경우
O=O - O O - O=O O-O 단일결합 길이: 0.121 nm O=O 이중결합 길이: 0.149 nm O3의 두 결합길이는 동일하게 0.128 nm
공명 혼성 (resonance hybrid) 구조
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Octet Rule 의 한계
(1) 홀수 개의 전자를 가진 분자
(N=O)
(2) 8 전자 결핍 분자
(3) 3주기 이후의 원소들의 경우 Rule에서 벗어날 수 있다.
BF3
SF6
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VSEPR Theory
Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) rules:전자쌍 반발이론
: 전자쌍의 정전기적인 반발력을 고려하여 분자들의 모양(구조)을 예측하는데 사용되는 모델
: 원자를 둘러싸고 있는 최외각 전자쌍은 서로 반발 반발력을 최소화하도록 원자 배열
중심원자에 대한 결합 원자들의 배열을 결정 분자의 구조 결정
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전자가 존재하는 영역 : Electron Domains (ED)
핵
Bonding e- pair
핵
Nonbonding e- pair
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분자의 구조를 표시하는 방식 (모형) 1) ED geometry : 결합 및 비결합 전자쌍을 ED로 표현하여 중심원자와 결합 원자들의 배열을 나타낸 구조 2) Molecular geometry: 중심원자와 결합원자들의 결합 구조를 간단히 나타낸 모양
2) Molecular geometry
109.5o
1) ED geometry
109.5o
C
Cl
O
Cl 124.3o
124.3o
111.4o
(예) COCl2
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(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)
VSEPR 이론으로 예측한 분자의 구조
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SN = 2
Example
Bonding domains = 2
Nonbonding domains = 0
Bonding domains = 3
Nonbonding domains = 0
Bonding domains = 2
Nonbonding domains = 1
120o
118o
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SN : 중심원자의 입체수 (steric number)
SN = 3
SN = 중심원자에 결합된 원자수 + 고립전자쌍 수
Steric Number와 분자의 구조
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Bonding domains = 4
Nonbonding domains = 0
Bonding domains = 3
Nonbonding domains = 1
Bonding domains = 2
Nonbonding domains = 2
109.5o
107o
104.5o
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SN = 5 이상 : 유사한 규칙이 적용
SN = 4
Example
(퀴즈 2) SiH4와 ClO3+ 의 구조를 SN을 구하여 예측하시오.
Steric Number와 분자의 구조
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Larger Molecules
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다원자분자의 쌍극자 모멘트
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(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)
CO2
COS
H2O
CCl4
nonpolar nonpolar
polar
polar
VSEPR 이론의 한계: V족과 VI 족의 수소화물, H2S, H2Se, PH3, AsH3 의 구조 (결합각: 91 ~
93o) 가 사면체에서 크게 벗어남을 설명하지 못함.
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전자 Orbital과 화학결합
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K(n=1) 1s
L(n=2) 2s 2p
M(n=3) 3s 3p 3d
N(n=4) 4s 4p 4d 4f
O(n=5) 5s 5p 5d 5f
P(n=6) 6s 6p 6d
Q(n=7) 7s 7p
Outer
shell
s orbital
p orbital
d orbital
f orbital
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Orbital의 중첩과 결합
Sigma () 결합 : 핵간의 직선 축을 따라 핵 사이에 전자밀도가 밀집해있음.
s + p p + p s + s
Pi () 결합 : 핵 사이의 축을 중심으로 아래와 위에 전자가 분포
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중첩 중첩 중첩
(예) H2 HF Cl2
+
p p p p π-bond
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Valence Bond Theory - 혼성 Orbitals
Hybridization(혼성화)
: 원자간 화학결합을 형성하기 위해 전자들이 서
로 결합하기에 적합하도록 새로운 hybrid
orbital로 혼합되는 것.
Hybrid orbital의 모양과 배열은 전자쌍 간의
반발력이 최소화되는 구조로 결정됨.
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2 개의 sp 혼성 궤도 결합 : BeF2, HgCl2, etc.
s, p sp
s, p, p sp2
s, p, p, p sp3
3 개의 sp2 혼성 궤도 결합 : BF3, etc. 4 개의 sp3 혼성 궤도 결합 : CH4, NH3, etc.
Be : He2s2 He2s1p1
B: He2s22p1 He2s1p2
C: He2s22p2 He2s1p3
180o
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공유결합: 단일 & 다중 결합
단일결합: 결합
결합의 핵간 축 주위로 전자밀도가 대칭적.
결합의 축을 중심으로 자유 회전
다중결합: 결합이 기여
(1)이중 결합 분자는 편평한 평면구조. 회전 불가능
- 결합은 결합보다 약하다. - sp, sp2, sp3 혼성궤도 형성에 관여하지않는 p orbital의 중첩에 의해 형성
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C2H4 sp2
π-bond
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(2) 삼중 결합
C2H2 sp
π-bond
π-bond
pz
py
공유결합: 다중 결합
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Conjugated polymers : backbones of continuous sp2 hybridized carbon centers
Delocalized electrons: electrons in a molecule, ion or solid metal that are not
associated with a single atom or one covalent bond
Conjugated Polymers
six electrons
over the C6 ring
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Poly(p-phenylene vinylene) (PPV)
C sp2 hybridized
PEDOT:PSS
poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
poly(styrenesulfonate)
전도성이 있고 투명함.
응용: 정전방지 코팅, 터치스크린, OLED 등의 투명전극, 등
PEDOT
PSS
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Graphene
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Graphene: graphite + suffix-ene
: a single planar sheet of sp2-bonded C atoms
: flat, regular hexagonal pattern
- 전자이동도 (>Si×100)
- 전기전도성 (>Cu×100)
- 내구성 (>강철×200)
- 열전도율 (>다이아몬드×2)
- 유연
- 투명
- 화학적 안정성 우수
- 매우 가볍다 (1m2 0.77g)
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Properties of Graphene
Mechanically strong and tough
Graphene is more than 100 times
stronger than the strongest steel.
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유 기 화 합 물
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유기 분자 화합물 - 탄화수소
유기화학 (Organic Chemistry): 탄소의 화합물에 대한 학문.
- 탄소화합물의 공유결합의 일반적 원리를 기반으로 하며,
- 주요 출발 물질은 석유.
- 탄화수소(hydrocarbon): 탄소와 수소로 구성
석유의 정제와 탄화 수소
- 원유: 탄화수소가 주성분. 소량의 산소, 질소,
황 등이 포함
- 석유는 화학제품의 절반 이상의 원료. 에너지
문제와는 달리 대안이 없음.
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석유정제탑 (분별증류탑)
SK인천석유화학
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석유 분별 증류 탑
분별증류 : 탄화수소 혼합물을 끓는점 차이에 의해 분리
액체석유가스(플라스틱의 원재료, 연료 등, C3H8, C4H10) 나프타 (휘발유, 용매 등) 제트연료 디젤연료 난방용 기름, 윤활유 피치, 아스팔트
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(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)
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탄소의 특이성과 유기화합물
탄소 (carbon, C)
- 주기율표의 2주기 한가운데 위치
상대적으로 크기가 작다.
이중, 삼중 결합 형성이 가능하다. 탄소와 수소로 이루어진 무수한 화합물들이 있다.
4개의 결합을 가질 수 있고, 선형, 삼각형, 사면체 등 다양한 구조의 형성이 가능하다.
전기음성도가 중간치이므로 전기음성인 원소, 전기양성인 원소들과 모두 공유결합을 할 수 있다.
유기화합물 (Organic Compound)
- 구조의 골격으로 탄소 원자를 갖는 화합물을 통칭
1828년 이전에는 유기화합물을 “생체가 생산하는 화합물질”로 정의. 예외로, 당시, 흑연, 다이아몬드, CO, CO2, 탄화염 등은 무기화합물로 분류된 후 지금까지 동일하게 분류
탄소, 수소 외에도 질소, 산소, 인, 황, 할로겐 등이 결합된 작용기를 가진 화합물 포함
화학의 영역에서 유기화합물을 주로 다루는 화학을 “유기화학”
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탄화수소의 종류
탄화수소 (hydrocarbon)
지방족 (aliphatic) 방향족 (aromatic)
alkane alkene alkyne cycloalkane
포화탄화수소 불포화탄화수소
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작용기에 의한 유기화합물의 분류
작용기 구조식 화합물명 화합물의 예
수산기 -OH 알코올, 페놀 CH3OH, C6H5OH (페놀)
알데히드기 -CHO 알데히드 HCHO (메탄알)
카르복시기 -COOH 유기산 CH3COOH (에탄산)
카르보닐기 -CO 케톤 CH3COCH3 (아세톤)
아미노기 -NH2 아민 C6H5NH2 (아닐린)
니트로기 -NO2 니트로화합물 C6H5NO2 (니트로벤젠)
에테르기 -O- 에테르 CH3OCH3(디메틸에테르)
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Normal Alkane
Normal alkane (n-alkane): straight-chain alkanes
- 단일 결합으로 서로 연결된 탄소원자의 사슬, CnH2n+2
- sp3 혼성궤도
- -bond 로 결합, 포화탄화수소
- 작용기 (alkyl-), -CnH2n+1 sp3
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분자식과 명명
CH4 : methane
C2H6: ethane
C3H8: propane
C4H10: butane
C5H12: pentane
C6H14: hexane
탄소의 수가 많아질수록 이성질체의 종류가 많아진다.
C4H10: butane (n-butane, isobutane)
C5H12: pentane (n-pentane, isopentane, neopentane)
C12H26 : 355 isomers
CH4 C2H6
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Branched chain alkane & Isomers
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n-butane
녹는점 -135oC, 끓는점 -0.5oC
2-methyl propane (iso-butane)
녹는점 -159.6oC, 끓는점 -11.7oC
구조 이성질체
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Long chain n-alkane의 형태
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straight-chain alkanes의 단일 결합으로
서로 연결된 탄소원자의 사슬로서 sp3 혼성
궤도 기본 구조 잘 유지
- 109.5o 각도 유지
- 다양한 형태로 실온에서 빠르게 모양 변형
- 탄소수가 증가할수록 분자량이 증가함에 따
라 분자간 분산력의 세기가 커지기 때문에
녹는점, 끓는점 증가
C16H34
(Source: 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김)
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Cycloalkane
chair conformation
Angle-strained
boat conformation
Steric-strained
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안정성 Chair > Boat
CnH2n : cycloalkane
- sp3 혼성궤도
- C 6개 미만인 경우 ring에 강한
strain이 작용하여 C 6개인
cyclohexane 보다 반응성이 큼.
H H
H
H
H
H
C3H6
H
H
H
H
H
H
H
H
C4H8
C6H12
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Alkenes (Olefin 계)
CnH2n : Alkene
- 이중결합 (sp2 혼성궤도) 1개를 가짐
- (-ylene)을 붙여서 부름. ethylene, propylene, butylene, etc.
- chain을 구성하는 탄소의 수가 많을 경우 이중결합을 포함한 가장 긴 사슬에 번호를
붙이되, 이중결합 위치를 번호로 표시.
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<C4H8, 이성질체들 >
1-butene 2-butene 2-methyl-1-propene
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포화 탄화수소와 불포화 탄화수소의 화학 반응성의 차이
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촉매나 높은 온도가 필요.
낮은 온도에서도 빠른 속도로 진행되는 경향.
: 전자들은 상대적으로 핵에 약하게 결합되어 있어서 electrophilic reagent 에 대해 전자를 공급하는 역할을 쉽게 함.
(예)
친전자성
친핵성
촉매 (Pt, Pd, Ni, etc)
cis-addition
반응 메카니즘
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동일 구조
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geometrical isomers
cis-1,2dichloroetylene
(무색 액체, 끓는점 60oC)
trans-1,2dichloroetylene
(무색 액체, 끓는점 48.4oC)