홍라이프 계산기결합 차수 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
결합 차수는 두 원자가 몇 개의 결합으로 이어져 있는지를 나타냅니다. 이 계산기는 수소부터 네온까지의 원자로 이루어진 이원자 분자와 이온의 분자 오비탈을 채워 결합 차수를 구하고, 홀전자 수와 상자성 여부를 알려 줍니다.
계산 방법
- 결합 차수 = (결합 전자 − 반결합 전자) ÷ 2
- 전자는 σ1s, σ*1s, σ2s, σ*2s, 그다음 π2p와 σ2p, 그다음 π*2p와 σ*2p 순서로 채웁니다.
- 전자 14개까지(B₂, C₂, N₂, CO)는 s–p 혼합 때문에 π2p가 σ2p보다 낮고, 15개부터(O₂, F₂, NO)는 σ2p가 먼저입니다.
- 에너지가 같은 π 오비탈은 짝짓기 전에 하나씩 먼저 채웁니다(훈트 규칙).
- 홀전자가 있으면 상자성입니다.
원리
원자가 결합하면 원자 오비탈이 섞여 분자 오비탈이 됩니다. 결합 오비탈은 전자를 핵 사이에 모아 원자를 붙잡고, 반결합 오비탈은 떼어 놓습니다. 결합 전자쌍의 순수한 개수가 결합 수가 됩니다. 분자 오비탈 이론은 단순한 루이스 구조로 설명할 수 없는 현상, 대표적으로 O₂가 홀전자 두 개를 가져 자석에 끌린다는 사실을 설명합니다.
예제 풀이
기본값: O + O, 전하 0
- 전자 수 = 8 + 8 = 16
- 배치: (σ1s)² (σ*1s)² (σ2s)² (σ*2s)² (σ2p)² (π2p)⁴ (π*2p)²
- 결합 전자 = 2 + 2 + 2 + 4 = 10, 반결합 전자 = 2 + 2 + 2 = 6
- 결합 차수 = (10 − 6) ÷ 2 = 2로 이중 결합이며 존재할 수 있습니다.
- π* 전자 두 개가 서로 다른 오비탈에 있어 홀전자 2개, O₂는 상자성입니다.
결과 해석
결합 차수가 클수록 결합이 짧고 강합니다. N₂(결합 차수 3)는 알려진 가장 강한 결합 중 하나이고, He₂(결합 차수 0)는 안정한 분자를 만들지 않습니다. 이온을 비교하면 경향이 보입니다. O₂⁺는 결합 차수 2.5로 O₂보다 결합이 짧고, O₂⁻는 1.5입니다.
흔한 실수
- 전하만큼 전자를 더하거나 빼지 않는 경우
- N₂에 O₂형 순서를 쓰거나 그 반대인 경우
- π* 오비탈에서 하나씩 채우기 전에 짝을 짓는 경우
- 이핵 분자의 결과를 정확한 값으로 여기는 경우(공통 준위 순서는 근사)
자주 묻는 질문
O₂의 결합 차수는?
2이며, 홀전자 두 개 때문에 상자성입니다.
N₂가 매우 안정한 이유는?
결합 차수가 3인 삼중 결합이고 모든 전자가 짝을 이루기 때문입니다.
결합 차수가 분수일 수 있나요?
O₂⁺(2.5)나 H₂⁺(0.5) 같은 이온과 라디칼은 분수가 됩니다.
액체 산소가 자석에 붙는다는 게 사실인가요?
네. 홀전자가 있는 상자성 물질이어서 강한 자석 사이에 붙잡히는 모습을 볼 수 있습니다.
출처: Atkins, P. & de Paula, J., Physical Chemistry (molecular orbital theory of diatomic molecules) · Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G., Inorganic Chemistry, 5th ed. Pearson