원자가 결합 이론

원자가 결합 이론은 공유 결합을 이웃한 원자들의 원자 오비탈이 서로 겹치는 현상으로 설명합니다. 입문 수준에서 흔히 쓰는 그림에서는 결합 전자가 주로 두 핵 사이에 국소화되어 있다고 보며, 그래서 이 모형은 결합의 방향성, $\sigma$ 결합, $\pi$ 결합, 그리고 혼성화를 설명하는 데 도움이 됩니다.

하나만 기억해야 한다면 이 질문을 기억하세요. 결합을 만들기 위해 어떤 오비탈들이 서로 겹치고 있는가? 이 질문은 두 원자 사이에 선 하나를 그려 놓고 끝내는 것보다, 보통 실제 화학을 훨씬 더 잘 이해하게 해 줍니다.

원자가 결합 이론이 말하는 것

일반화학 입문에서는 원자가 결합 이론이 보통 세 가지 생각을 강조합니다.

• 공유 결합은 원자 오비탈의 겹침에서 생긴다
• 결합 전자는 주로 두 원자 사이에 국소화되어 있다고 본다
• 결합의 종류와 방향은 오비탈이 공간에서 어떻게 겹치는지에 따라 달라진다

그래서 오비탈의 모양이 중요합니다. 정면으로 겹치면 $\sigma$ 결합이 됩니다. 서로 평행한 비혼성 $p$ 오비탈이 옆으로 겹치면 $\pi$ 결합이 됩니다.

왜 오비탈 겹침이 중요한가

모든 겹침이 똑같이 효과적인 것은 아닙니다. 더 효과적인 겹침은 보통 핵 사이에 더 큰 전자 밀도를 만들고, 이 모형 안에서는 더 강한 결합 상호작용을 뜻합니다.

방향도 중요합니다. 오비탈은 특정한 방향을 향하고 있기 때문에, 원자가 결합 이론은 많은 공유 결합이 무작위 배열이 아니라 예측 가능한 형태를 가지는 이유를 설명해 줍니다.

예제로 보기: 에텐과 이중 결합이 두 부분으로 이루어지는 이유

에텐, $C_2H_4$, 은 한 분자 안에서 혼성화와 오비탈 겹침을 모두 보여 주기 때문에 좋은 예입니다.

에텐의 각 탄소는 입문 원자가 결합 이론에서 보통 $sp^2$ 혼성화되어 있다고 설명합니다. 그러면 각 탄소는 한 평면 안에 세 개의 $sp^2$ 오비탈을 가지며, 그 평면에 수직인 비혼성 $p$ 오비탈 하나를 가집니다.

그러면 결합 그림은 다음과 같습니다.

• 한 탄소의 $sp^2$ 오비탈 하나가 다른 탄소의 $sp^2$ 오비탈과 정면으로 겹쳐 $C-C$ $\sigma$ 결합을 만든다
• 각 탄소에 남아 있는 $sp^2$ 오비탈들은 수소의 $1s$ 오비탈과 겹쳐 네 개의 $C-H$ $\sigma$ 결합을 만든다
• 두 탄소의 비혼성 $p$ 오비탈은 옆으로 겹쳐 하나의 $\pi$ 결합을 만든다

따라서 에텐의 탄소-탄소 이중 결합은 서로 같은 두 결합이 아닙니다. 그것은 $\sigma$ 결합 하나와 $\pi$ 결합 하나로 이루어져 있습니다. 이것은 결합의 종류와 분자 기하를 모두 설명하는 직접적인 원자가 결합식 설명입니다.

혼성화는 어떻게 들어맞는가

기본적인 원자가 결합 이론은 $1s-1s$ 또는 $p-p$ 같은 단순한 겹침을 설명할 수 있습니다. 하지만 많은 분자에서는 그것만으로 관찰되는 결합각을 설명하기에 충분하지 않습니다.

혼성화는 결합이 일어나기 전에 같은 원자 안의 오비탈들이 섞일 수 있도록 하여 이 모형을 확장합니다. 이 그림에서 $sp$, $sp^2$, $sp^3$ 같은 표기는 흔한 선형, 평면 삼각형, 정사면체형 결합 배열을 설명하는 데 도움을 줍니다.

대부분의 일반화학 수업에서는 혼성화를 더 넓은 원자가 결합 틀의 일부로 가르칩니다. 혼성화는 결합 패턴을 설명하기 위한 모형이지, 따로 경쟁하는 별개의 이론이 아닙니다.

원자가 결합 이론 vs. 분자 오비탈 이론

원자가 결합 이론과 분자 오비탈 이론은 둘 다 공유 결합을 설명하지만, 강조하는 그림은 다릅니다.

원자가 결합 이론은 특정 원자쌍 사이의 국소화된 결합에 초점을 둡니다. 분자 오비탈 이론은 분자 전체에 걸쳐 퍼질 수 있는 오비탈을 사용합니다. 많은 입문 문제에서는 원자가 결합 이론이 빠르고 직관적인 국소 그림을 제공합니다. 전자가 강하게 비국소화되어 있다면, 분자 오비탈 이론이 그 분포를 더 자연스럽게 설명하는 경우가 많습니다.

어느 한 모형만을 모든 분자에 대해 유일하게 옳은 언어로 여겨서는 안 됩니다. 더 적절한 모형은 무엇을 설명하려는지에 따라 달라집니다.

흔한 실수

이 이론을 새로운 말로 바꾼 루이스 구조 정도로만 보는 것

핵심은 결합선 자체가 아닙니다. 핵심은 원자 사이에 결합 전자 밀도를 만드는 오비탈 겹침입니다.

모든 분자가 완전히 국소화된 결합으로 가장 잘 설명된다고 가정하는 것

원자가 결합 이론은 국소화된 결합 모형으로서 가장 잘 작동합니다. 분자에 강한 비국소화가 있으면, 순전히 국소적인 그림은 중요한 거동을 놓칠 수 있습니다.

$\pi$ 결합의 조건을 잊는 것

$\pi$ 결합이 생기려면 서로 평행한 비혼성 $p$ 오비탈이 옆으로 겹칠 수 있어야 합니다. 그런 기하가 가능하지 않다면, 일반적인 $\pi$ 결합 그림은 적용되지 않습니다.

혼성화를 별개의 이론으로 취급하는 것

대부분의 입문 과정에서 혼성화는 원자가 결합 이론 안의 확장이지, 완전히 무관한 별도 이론이 아닙니다.

화학자들은 언제 원자가 결합 이론을 쓰는가

원자가 결합 이론은 특히 다음을 설명하고 싶을 때 유용합니다.

• 왜 두 원자 사이에 공유 결합이 형성되는가
• 왜 어떤 결합이 $\sigma$ 결합 또는 $\pi$ 결합인가
• 왜 결합에 방향성이 있는가
• 왜 혼성화가 많은 흔한 분자에서 결합각을 설명하는 데 도움이 되는가

이 이론은 분자를 국소화된 결합과 루이스 구조식 같은 그림으로 꽤 잘 설명할 수 있을 때 가장 실용적입니다. 그래서 일반화학과 유기화학의 결합 설명에서 자주 등장합니다.

비슷한 사례를 직접 해보기

아세틸렌, $C_2H_2$, 으로 직접 해 보세요. $C-C$ 결합을 만들기 위해 어떤 오비탈들이 겹치는지, $\pi$ 결합은 몇 개인지, 그리고 왜 기하가 선형인지 물어보세요. 이어서 더 연결된 주제를 보고 싶다면, 다음으로 혼성화를 살펴보고 결합 모형으로서 $sp$, $sp^2$, $sp^3$ 를 비교해 보세요.