Bonds

1. Bonds • Forces that hold groups of atoms together and make them function as a unit • 원자가 서로 결합하는 방법은 화학적, 물리적 성질에 엄청난 영향을 미친다

2. 화학결합의 유형 • Bond Energy • It is the energy required to break a bond. • It gives us information about the strength of a bonding interaction. • Bond Length • The distance where the system energy is a minimum. • Ionic Bonds • Formed from electrostatic attractions of closely packed, oppositely charged ions. • Formed when an atom that easily loses electrons reacts with one that has a high electron affinity.

3. Ionic Bonds • 쿨롱의 법칙(Coulomb’s law) • Q1 and Q2 = numerical ion charges • r = distance between ion centers (in nm) • 동일하게 하전된 두 개의 입자가 결합할 때의 반발 에너지를 계산하는데도 사용 • 계는 양의 에너지(반발력)항과 음의 에너지(인력)항의 합을 최소화하도록 작용 • 에너지가 최소인 그 거리를 결합길이라 한다

4. 화학결합의 유형 • 에너지의 영점은 멀리 떨어진 원자들을 가지고 정의 • 매우 짧은 거리에서 원자들이 가깝게 근접해 있을 때, 반발력이 중요해지므로 에너지는 급격히 상승한다.

5. 공유결합 • 수소 분자와 같이 전자를 핵 사이에 공유하는 다른 많은 분자들에서 고려하는 결합유형을 공유결합이라 한다. • 결합은 전자를 공유하기 위한 두 핵의 상호인력에 기인 공유결합에서 두 동일한 원자들은 전자를 동등하게 나누어 갖는다 • 이온결합과 공유결합은 결합의 극단적인 유형으로 두 극단적인 결합 방법 사이에 원자들이 전자를 완전히 옮길 정도로 크게 다르지 않지만 충분히 불균등한 배분을 일으킬 수 있는 중간적인 결합을 극성 공유결합이라 한다

6. 공유결합 • Polarity • A molecule, such as HF, that has a center of positive charge and a center of negative charge is said to be polar, or to have a dipole moment.

7. Electronegativity • The ability of an atom in a molecule to attract shared electrons to itself. •  = (H  X)actual (H  X)expected

8. Electronegativity 전기음성도와 결합유형의 관계 • 극성도에 따라 다음 결합들을 나열하라 • H-H, O-H, Cl-H, S-H, F-H

9. 결합 극성과 쌍극자모멘트 • HF와 같이 양전하 중심과 음전하 중심을 갖는 분자를 쌍극자라고 하거나 쌍극자모멘트를 가졌다고 한다. • 물분자에서의 전하분포 (a) • 전기장 안의 물분자 (b)

10. 결합 극성과 쌍극자모멘트 • 암모니아 분자의 구조와 쌍극자모멘트 • 이산화탄소 분자 • 반대되는 결합 극성도는 상쇄되고 이산화탄소분자는 쌍극자모멘트를 갖지 않는다

11. 결합 극성과 쌍극자모멘트 극성결합을 갖지만 쌍극자모멘트가 없는 분자들

12. Achieving Noble Gas Electron Configurations (NGEC) • 안정한 화합물에 존재하는 원자는 일반적으로 영족 기체의 전자배열을 가진다 • Two nonmetals react : They share electrons to achieve NGEC. • A nonmetal and a representative group metal react (ionic compound) : The valence orbitals of the metal are emptied to achieve NGEC. The valence electron configuration of the nonmetal achieves NGEC.

13. 이온화합물의 화학식 • 이온화합물의 화학식을 예측하는데 있어 화학물질이 항상 전기적으로 중성-같은 양의 양전하와 음전하를 가진다-이라는 사실을 인식 • 이온화합물 내에서 영족 기체 전자배치를 갖는 일반적인 이온들

14. Isoelectronic Ions • 대부분의 이온반경은 이온화합물에서 두 이온 중심 사이의 거리를 측정해 결정한다 • 등전자 이온 • Ions containing the the same number of electrons (O2, F, Na+, Mg2+, Al3+) • O2(largest )> F > Na+ > Mg2+ > Al3+(smallest)

15. 이온의 크기 • 주기율표에서 원소의 위치와 관련된 이온의 크기들 • 아래로 갈수록 크기가 증가 • 등전자 이온에서원자번호가 증가할수록 크기가 감소

16. Lattice Energy • 분리된 기체 이온들이 이온성 고체를 형성하기 위해 밀착될 때 일어나는 에너지 변화 • M+(g) + X-(g)  MX(s) • Lattice energy is negative (exothermic) from the point of view of the system • 이원자 이온화합물의 형성 • 에너지는 상태함수이고 합하면 전체반응이 되는 단계들로 반응을 나눌 수 있다 • Li(s) + ½ F2(g)  LiF(s)

17. Formation of an Ionic Solid • Sublimation of the solid metal • M(s)  M(g) [endothermic] • Ionization of the metal atoms • M(g)  M+(g) + e- [endothermic] • Dissociation of the nonmetal • ½ X2(g)  X(g) [endothermic] • Formation of X- ions in the gas phase • X(g) + e- X-(g) [exothermic] • Formation of the solid MX • M+(g) + X-(g)  MX(s) [quite exothermic]

18. Formation of an Ionic Solid • 플루오르화리튬이 그 원소로부터 형성될 때 일어나는 에너지 변화 • Li(s) + F(g)  Li+(g) + F-(g)

19. r = shortest distance between centers of the cations and anions • Q1, Q2 = charges on the ions

20. 공유결합의 부분적 이온특성 • 세 개의 가능한 결합형태 • (a) 동일한 원자 사이의 공유결합 형성 • (b) 이온성과 공유성 성분의 극성 공유결합 • (c) 전자의 공유가 없는 이온결합

21. 공유결합의 부분적 이온특성 • 공유결합의 이온 성질과 결합한 원자들 사이의 전기음성도 차이의 관계 • 이온 성질이 전기음성도 차이의 증가에 따라 증가한다. 그러나 가능한 최대 전기음성도 차이를 고려해도 이온 성질이 100% 에 해당하는 결합은 존재하지 않는다

22. Models • 결합은 가능한 가장 낮은 에너지를 찾으려고 하는 계의 경향성의 결과이다 • 즉, 결합은 원자들의 집단이 원자가 단독으로 존재하는 것보다 안정한(에너지가 낮은) 경우에일어난다 • Models are attempts to explain how nature operates on the microscopic level based on experiences in the macroscopic world.

23. Fundamental Properties of Models • A model does not equal reality. • Models are oversimplifications, and are therefore often wrong. • Models become more complicated as they age. • We must understand the underlying assumptions in a model so that we don’t misuse it.

24. Bond Energies • Bond breaking requires energy (endothermic) • Bond formation releases energy (Exothermic)

25. Bond Energies • 공유한 전자쌍이 늘어날수록, 결합길이는 짧아진다 • 단일결합 • 이중결합 • 삼중결합 • H = D(bonds broken) D(bonds formed) energy required energy released

26. Localized Electron Model • A molecule is composed of atoms that are bound together by sharing pairs of electrons using the atomic orbitals of the bound atoms. • 분자에서 원자가전자 배치에 대한 설명은 루이스 구조를(Lewis structure) 사용하고 있다 • 분자의 구조를 예측하는데 원자가껍질 전자쌍 반발(VSEPR model)모형을 이용한다 • 원자궤도의 유형을 설명하는데 전자를 공유한 원자나 비공유 전자쌍을 가진 원자를 이용한다

27. Lewis Structure • Shows how valence electrons are arranged among atoms in a molecule. • Reflects central idea that stability of a compound relates to noble gas electron configuration. • 루이스 구조는 원자가전자만을 보여준다 • 루이스 구조를 작성하는 요령 • 모든 원자들의 원자가전자를 더한다(전자의 총수가 중요) • 속박된 원자의 각 쌍들 사이에 결합을 형성하는데 전자쌍을 이용하라 • 수소의 경우 이전자 계로 두 번째 열의 원소들이 옥테트 규칙을 만족하도록 남은 원자들을 배치하라

28. Comments About the Octet Rule • 2nd row elements C, N, O, F observe the octet rule. • 2nd row elements B and Be often have fewer than 8 electrons around themselves - reactive • 3rd row and heavier elements CAN exceed the octet rule using empty valence d orbitals. • When writing Lewis structures, satisfy octets first, then place electrons around elements having available d orbitals.

29. Resonance • 공명은 특정한 분자에 대한 하나 이상의 유용한 루이스 구조가 가능할 때 일어난다. • These are resonance structures. The actual structure is an average of the resonance structures. • 동등한 루이스 구조는 동일한 수의 단일결합과 다중결합을 가진다

30. Formal Charge • 형식전하는 자유원자의 원자가전자수와(VE) 분자 내 원자로 있을 때의 원자가전자수의 차이이다 • VE on free neutral atom • VE “belonging” to the atom in the molecule • 형식전하 = (자유원자의 원자가전자 수) – (분자 내 원자에 해당하는 원자가전자 수) Not as good Better

31. VSEPR Model • 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(VSEPR) • 주로 전자쌍 반발을 최소화함으로써 주어진 원자를 둘러싼 구조를 결정할 수 있다. • Predicting a VSEPR Structure • Draw Lewis structure. • Put pairs as far apart as possible. • Determine positions of atoms from the way electron pairs are shared. • Determine the name of molecular structure from positions of the atoms.

32. Cl Be Cl Cl 120° 180° B Cl Cl VSEPR Model • 삼각평면구조 • 선형구조 • 정사면체 배열 • 반발력이 최소가 되는 전자쌍 배열 • 104.5°

33. VSEPR Model • 삼각피라미드 • NH3분자는 네 개의 전자쌍을 갖는데 세 개의 결합쌍과 한 개의 비 결합쌍이다 • 암모니아 분자 –전자쌍들은 정사면체 배열을 갖지만 원자들은 정사면체 배열을 갖지 않는다

34. VSEPR Model • 물분자의 V-형 분자구조 • H2O 분자는 고립 전자쌍의 존재 때문에 V자 모양 혹은 굽어진 구조를 하고 있다. • 만일 고립 전자쌍이 없다면 분자는 직선 구조를 가질 것이며 두 결합의 극성이 상쇄되어, 물은 잘 알려진 극성 물질과는 다른 성질을 가질 것이다

35. VSEPR Model • CH4, NH3, H2O 분자들의 결합각 • 고립쌍은 결합쌍보다 더 많은 공간을 요구하고, 결합쌍 사이의 각을 압박하는 경향이 있다. • 결합쌍 사이의 결합각은 고립쌍 수가 증가하는 만큼 감소한다.

36. VSEPR Model • 최소 반발을 갖는 원자 주변의 전자쌍 배열

37. VSEPR Model • 정팔면체 PCl6-음이온의 구조 • XeF4의 루이스 구조 • 크세논 원자는 여섯 개의 전자쌍에 둘러싸여 정팔면체 배열을 갖는다

38. VSEPR Model • 사각 평면구조 • Xe-F 결합이 극성일지라도, 이들 결합의 사각평면 구조는 극성을 상쇄시켜 쌍극자 모멘트를 가지지 않는다 • XeF4의 가능한 전자쌍 배열

39. VSEPR Model • 삼요오드 이온(I3-)의 중심 요오드 원자는 주변에 다섯 개의 전자쌍을 갖는데 그들은 삼각이중 피라미드 배열을 요구한다. • I3-에 대한 최종 분자구조는 선형이다

40. - - - O O 120° N O O N O O O O N O O N O O VSEPR Model • 다중결합을 가진 분자의 구조 • 다중결합을 유효 전자쌍의 하나로 고려해야 한다 • 중심원자가 한 개 이상인 분자들