삼원자 분자

1. 개요

삼원자 분자는 세 개의 원자로 구성된 분자이다. 분자 진동은 삼원자 분자의 특수한 경우에 결정될 수 있으며, 대칭 선형 분자는 비대칭 종진동, 대칭 종진동, 대칭 횡진동의 세 가지 주요 진동 모드를 갖는다. 삼원자 분자는 구성 원자의 종류에 따라 동핵 삼원자 분자와 이핵 삼원자 분자로 나눌 수 있으며, 동핵 삼원자 분자는 동일한 원자 3개로 구성되고 이핵 삼원자 분자는 서로 다른 종류의 원자 세 개로 구성된다. 삼원자 분자는 선형, 굽은형, 고리형 구조를 가질 수 있다.

2. 분자 진동

삼원자 분자의 진동 모드는 특정한 경우에 결정될 수 있다. 오존, 물, 이산화탄소, 사이안화 수소 등이 삼원자 분자의 예시이다.

2.1. 대칭 선형 분자

대칭 선형 분자 ABA는 세 가지 주요 진동 모드를 갖는다.

* 비대칭 종진동의 진동수:
:$\backslash omega\_a=\backslash sqrt\{\backslash frac\{k\_1M\}\{m\_Am\_B\}\}$
* 대칭 종진동의 진동수:
:$\backslash omega\_\{s1\}=\backslash sqrt\{\backslash frac\{k\_1\}\{m\_A\}\}$
* 대칭 횡진동의 진동수:
:$\backslash omega\_\{s2\}=\backslash sqrt\{\backslash frac\{2k\_2M\}\{m\_Am\_B\}\}$

위 식에서 M은 분자의 총 질량, m_A 및 m_B는 원소 A와 B의 질량, k₁ 및 k₂는 분자의 축 방향 및 수직 방향의 힘 상수(용수철 상수)이다.

3. 유형

삼원자 분자는 구성 원자의 종류에 따라 동핵 삼원자 분자와 이핵 삼원자 분자로 나눌 수 있다.

3.1. 동핵 삼원자 분자

동핵 삼원자 분자는 동일한 종류의 원자 3개를 포함한다. 이 분자는 해당 화학 원소의 동소체가 될 것이다.

오존(O₃)은 모든 원자가 동일한 삼원자 분자의 예시이다. 삼원자 수소(H₃)는 불안정하며 자발적으로 분해된다. 트리수소 양이온(H₃⁺)은 그 자체로 안정하며 대칭적이다. 헬륨 삼합체(⁴He₃)는 반 데르 발스 힘에 의해 약하게 결합되어 있으며 에피모프 상태에 있다. 트리설퍼(S₃)는 오존과 유사하다.

3.2. 이핵 삼원자 분자

오존, 물, 이산화탄소, 사이안화 수소는 이핵 삼원자 분자의 예시이다.

4. 기하학적 구조

삼원자 분자는 선형, 굽은형, 고리형 중 하나의 형태로 분류할 수 있다.

4.1. 선형 분자 구조

선형 삼원자 분자는 중심 원자의 sp 또는 sp³d 혼성화에 기인하여 기하 구조를 갖는다. 이산화 탄소(CO₂)와 사이안화 수소(HCN)가 잘 알려진 선형 삼원자 분자이다.

이플루오린화 제논(XeF₂)은 중심 원자에 비결합 전자쌍을 갖는 선형 삼원자 분자의 희귀한 예 중 하나이다.

4.2. 굽은형 분자 구조

굽은형 분자 구조를 가지는 삼원자 분자의 예시는 다음과 같다.

* 오존(O₃)
* 물(H₂O)

4.3. 고리형 분자 구조

오존은 고리형 분자 구조를 가진 삼원자 분자이다.