삼중항 산소
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1. 개요
삼중항 산소는 두 개의 반결합성 π* 궤도에 스핀 방향이 같은 전자가 각각 하나씩 들어있는 분자 산소(O₂)의 바닥 상태를 말한다. 훈트 규칙에 따라 에너지적으로 더 안정하며, 총 스핀이 1인 삼중항 상태에 해당한다. 삼중항 산소는 상자성을 나타내며, 액체 산소는 옅은 청색을 띤다. 삼중항 산소는 스핀 양자수 보존 때문에 다른 분자들과의 반응이 어렵지만, 이중항 상태의 분자들과는 쉽게 반응한다. 산소의 동소체로는 이산소, 오존(O₃), 사산소(O₄), 팔산소(O₈) 등이 있다.
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| 삼중항 산소 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 명칭 | 삼중항 산소 |
| IUPAC 명칭 | 다이옥시다닐 (치환 명명법) |
| 식별 정보 | |
| CAS 등록번호 | 7782-44-7 |
| UNII | S88TT14065 |
| EINECS | 231-956-9 |
| UN 번호 | 1072 |
| KEGG | D00003 |
| MeSH | 산소 |
| ChEBI | 27140 |
| RTECS | RS2060000 |
| Gmelin | 492 |
| SMILES | '[O]#[O]' |
| SMILES1 | '[O][O]' |
| 표준 InChI | 1S/O2/c1-2 |
| 표준 InChI 키 | MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N |
| PubChem CID | 977 |
| ChemSpider ID | 952 |
| 속성 | |
| 분자량 | 2 |
| 외형 | 무색 기체 |
| 녹는점 | 55 K |
| 끓는점 | 90 K |
| 구조 | |
| 분자 모양 | 선형 |
| 쌍극자 모멘트 | 0 D |
| 열화학 | |
| 생성 엔탈피 | 0 kJ mol−1 |
| 엔트로피 | 205.152 J K−1 mol−1 |
| 약리학 | |
| ATC 코드 | V03AN01 |
| 위험성 | |
| GHS 그림 문자 | '' |
| 신호어 | 위험 |
| H 문구 | '' |
| P 문구 | '' |
| NFPA 704 | NFPA-F: 0 NFPA-H: 0 NFPA-R: 1 NFPA-S: Ox |
| 분자 전자 구성 | |
| 분자 전자 구성 | (σg)2 (σu*)2 (σg)2 (πu)4 (πg*)2 |
| 항 기호 | 3Σg− |
| 이미지 | |
 | |
| |
2. 분자 구조 및 성질
이산소(O₂)는 두 개의 산소 원자가 결합하여 형성되며, 독특한 전자 배치로 인해 삼중항 산소와 일중항 산소 상태가 존재한다.
분자 궤도는 두 개의 π* 궤도에 스핀 방향이 같은 전자가 한 개씩 들어 있다. 훈트 규칙에 따라 삼중항 상태가 에너지적으로 더 유리하며, 총 전자 스핀이 ''S'' = 1인 분자의 바닥 상태에 해당한다. ''S'' = 0 상태로의 여기는 훨씬 더 반응성이 높은 준안정 상태인 일중항 산소를 생성한다.[4][5]
교환 상호작용은 축퇴된 오비탈에 있는 두 전자의 ''s'' = 스핀에서 발생하는 총 4개의 독립적인 스핀 상태를 일중항 상태(총 스핀 ''S'' = 0)와 3개의 축퇴된 삼중항 상태(''S'' = 1) 세트로 나눈다.
분자의 바닥 상태가 0이 아닌 스핀 자기 모멘트를 가지기 때문에 산소는 상자성을 띤다. 즉, 자석의 극에 끌릴 수 있다. 따라서 모든 전자가 쌍을 이루는 루이스 구조 O=O는 분자 산소의 결합 특성을 정확하게 나타내지 못한다. 그러나 대안적인 구조 •O–O• 역시 부적절한데, 이는 단일 결합의 특성을 암시하는 반면, 실험적으로 결정된 121 pm의 결합 길이[6]는 147.5 pm의 길이를 갖는 과산화 수소(HO–OH)의 단일 결합보다 훨씬 짧기 때문이다.[7] 이는 삼중항 산소가 더 높은 결합 차수를 갖는다는 것을 나타낸다. 관찰된 상자성과 짧은 결합 길이를 동시에 정확하게 설명하려면 분자 궤도 함수 이론을 사용해야 한다.
폴링은 3전자 결합을 나타내기 위해 세 개의 가깝게 간격을 둔 공선상의 점을 사용할 것을 제안했다.[8]
불쌍 전자 2개를 가지므로 라디칼성을 나타내며, 이로 인해 상자성을 띈다. 공기를 -183 °C (90 K) 정도로 냉각시켜 얻을 수 있는 액체 산소는 옅은 청색이며 자석의 S극과 N극 사이에 흐르게 하면 양극 사이에 부착된다.[10]
2. 1. 전자 배치
분자 궤도는 두 개의 π* 궤도에 스핀 방향이 같은 전자가 한 개씩 들어 있다. 삼중항 산소에서는 π* 궤도를 평행 스핀을 가진 두 개의 짝짓지 않은 전자가 점유하지만, 일중항 산소에서는 이 전자들이 반평행 스핀을 가진 전자 배치를 취하여 더 높은 에너지 준위에 있다. π* 궤도를 전자가 점유하는 일중항 상태는 Σ와 Δ의 두 가지 배치가 가능하지만, 하나의 π* 궤도를 두 개의 전자가 점유한 Δ 상태가 에너지가 더 낮아 가장 낮은 에너지 준위를 갖는 들뜬 상태이다.[9] 훈트 규칙에 따라 삼중항 상태가 에너지적으로 더 유리하며, 총 전자 스핀이 ''S'' = 1인 분자의 바닥 상태에 해당한다. ''S'' = 0 상태로의 여기는 훨씬 더 반응성이 높은 준안정 상태인 일중항 산소를 생성한다.[4][5]2. 2. 스핀 상태
교환 상호작용은 축퇴된 오비탈에 있는 두 전자의 ''s'' = 스핀에서 발생하는 총 4개의 독립적인 스핀 상태를 일중항 상태(총 스핀 ''S'' = 0)와 3개의 축퇴된 삼중항 상태(''S'' = 1) 세트로 나눈다. 훈트 규칙에 따르면 삼중항 상태가 에너지적으로 더 유리하며, 총 전자 스핀이 ''S'' = 1인 분자의 바닥 상태에 해당한다. ''S'' = 0 상태로의 여기는 훨씬 더 반응성이 높은 준안정 상태인 일중항 산소를 생성한다.[4][5]분자의 바닥 상태가 0이 아닌 스핀 자기 모멘트를 가지기 때문에 산소는 상자성을 띤다. 즉, 자석의 극에 끌릴 수 있다. 따라서 모든 전자가 쌍을 이루는 루이스 구조 O=O는 분자 산소의 결합 특성을 정확하게 나타내지 못한다. 그러나 대안적인 구조 •O–O• 역시 부적절한데, 이는 단일 결합의 특성을 암시하는 반면, 실험적으로 결정된 121 pm의 결합 길이[6]는 147.5 pm의 길이를 갖는 과산화 수소(HO–OH)의 단일 결합보다 훨씬 짧기 때문이다.[7] 이는 삼중항 산소가 더 높은 결합 차수를 갖는다는 것을 나타낸다. 관찰된 상자성과 짧은 결합 길이를 동시에 정확하게 설명하려면 분자 궤도 함수 이론을 사용해야 한다.
분자 궤도는 두 개의 π* 궤도에 스핀 방향이 같은 전자가 한 개씩 들어 있다. 삼중항 산소에서는 π* 궤도를 평행 스핀을 가진 두 개의 짝짓지 않은 전자가 점유하지만, 일중항 산소에서는 이 전자들이 반평행 스핀을 가진 전자 배치를 취하여 더 높은 에너지 준위에 있다. π* 궤도를 전자가 점유하는 일중항 상태는 Σ와 Δ의 두 가지 배치가 가능하지만, 하나의 π* 궤도를 두 개의 전자가 점유한 Δ 상태가 에너지가 더 낮아 가장 낮은 에너지 준위를 갖는 들뜬 상태이다.[9]
불쌍 전자 2개를 가지므로 라디칼성을 나타내며, 이로 인해 상자성을 띈다. 공기를 -183 °C (90 K) 정도로 냉각시켜 얻을 수 있는 액체 산소는 옅은 청색이며 자석의 S극과 N극 사이에 흐르게 하면 양극 사이에 부착된다.[10]
2. 3. 루이스 구조
산소는 분자의 바닥 상태가 0이 아닌 스핀 자기 모멘트를 가지기 때문에 상자성을 띤다. 즉, 자석의 극에 끌릴 수 있다. 따라서 모든 전자가 쌍을 이루는 루이스 구조 O=O는 분자 산소의 결합 특성을 정확하게 나타내지 못한다. 그러나 대안적인 구조 •O–O• 역시 부적절한데, 이는 단일 결합의 특성을 암시하는 반면, 실험적으로 결정된 121 pm의 결합 길이[6]는 147.5 pm의 길이를 갖는 과산화 수소 (HO–OH)의 단일 결합보다 훨씬 짧기 때문이다.[7] 이는 삼중항 산소가 더 높은 결합 차수를 갖는다는 것을 나타낸다. 관찰된 상자성과 짧은 결합 길이를 동시에 정확하게 설명하려면 분자 궤도 함수 이론을 사용해야 한다. 분자 궤도 함수 이론의 틀 내에서, 삼중항 이산소의 산소-산소 결합은 하나의 완전한 σ 결합과 두 개의 π 반결합으로 더 잘 묘사될 수 있으며, 각 반결합은 2중심 3전자 (2c-3e) 결합으로 설명되며, 순 결합 차수는 2 (1+2×)이고, 또한 스핀 상태 (''S'' = 1)를 설명한다. 삼중항 이산소의 경우, 각 2c-3e 결합은 πu 결합 궤도 함수에 두 개의 전자와 πg 반결합 궤도 함수에 하나의 전자로 구성되어 순 결합 차수 기여도가 된다.
폴링은 3전자 결합을 나타내기 위해 세 개의 가깝게 간격을 둔 공선상의 점을 사용할 것을 제안했다.[8]
3. 물리적 성질
액체 상태에서 삼중항 산소의 상자성을 관찰하는 일반적인 실험 방법은 액체 상태로 냉각하는 것이다. 좁은 간격으로 배치된 강력한 자석의 극 사이에 액체 산소를 부으면 액체 산소가 매달릴 수 있다. 총 전자 스핀 의 순 자기 모멘트는 이러한 관찰 결과를 설명한다.
3. 1. 상자성
삼중항 산소는 홀전자를 가지므로 라디칼성을 나타내며, 이로 인해 상자성을 띤다.[10] 액체 산소를 좁은 간격으로 배치된 강력한 자석의 극 사이에 부으면 액체 산소가 매달릴 수 있다. 또는 자석이 액체 산소의 흐름을 당길 수도 있다. 총 전자 스핀 의 순 자기 모멘트는 이러한 관찰 결과를 설명한다. 공기를 -183 °C (90 K) 정도로 냉각시켜 얻을 수 있는 액체 산소는 옅은 청색이며 자석의 S극과 N극 사이에 흐르게 하면 양극 사이에 부착된다.[10]3. 2. 액체 산소
액체 산소는 옅은 청색이며 공기를 -183°C 정도로 냉각시켜 얻을 수 있다. 불쌍 전자 2개를 가지므로 라디칼성을 나타내며, 이로 인해 상자성을 띈다. 자석의 S극과 N극 사이에 흐르게 하면 양극 사이에 부착된다.[10]4. 반응성
분자 산소의 특이한 전자 배치는 분자 산소가 단일항 상태에 있는 많은 다른 분자들과 직접 반응하는 것을 막는다. 그러나 삼중항 산소는 이중항 상태에 있는 분자들과 쉽게 반응하여 새로운 라디칼을 형성한다.[1]
스핀 양자수의 보존은 삼중항 산소가 닫힌 껍질 (단일항 상태의 분자)과 반응할 때 삼중항 전이 상태를 필요로 한다.[1] 이때 필요한 추가 에너지는 매우 반응성이 높은 기질, 예를 들어 백린을 제외하고는 주위 온도에서 직접 반응을 방지하기에 충분하다.[1] 더 높은 온도나 적절한 촉매가 존재할 경우 반응이 더 쉽게 진행된다.[1] 예를 들어, 대부분의 가연성 물질은 외부 불꽃이나 스파크 없이 공기 중에서 연소를 겪는 자연 발화 온도로 특징지어진다.[1]
5. 동소체
산소는 여러 동소체를 가진다. 일반적인 이산소(O₂) 외에, 오존(O₃)이 존재한다.[1] 이산소는 삼중항 산소와 일중항 산소로 나뉜다. 그 외에 사산소나 팔산소도 있다.
5. 1. 이산소 (O₂)
이산소는 산소의 가장 일반적인 형태로, 삼중항 산소와 일중항 산소가 있다.[1]5. 2. 오존 (O₃)
오존은 세 개의 산소 원자로 구성된 분자이다. 특유의 냄새를 가지며 강력한 산화제이다. 대기 중 오존층은 자외선을 차단하는 역할을 한다.5. 3. 기타 동소체
사산소팔산소
참조
[1]
웹사이트
Triplet Dioxygen (CHEBI:27140)
http://www.ebi.ac.uk[...]
European Bioinformatics Institute
[2]
논문
Dioxygen: What Makes This Triplet Diradical Kinetically Persistent?
[3]
서적
Quanta, Matter, and Change: A Molecular Approach to Physical Chemistry
https://books.google[...]
Oxford University Press
2015-08-11
[4]
서적
Inorganic Chemistry
University Science Press
[5]
웹사이트
States of Oxygen
http://web.mit.edu/5[...]
Massachusetts Institute of Technology
2014
[6]
서적
Inorganic Chemistry
Pearson Prentice-Hall
[7]
서적
Housecroft and Sharpe
[8]
서적
Pauling's Legacy: Modern Modelling of the Chemical Bond
Elsevier
[9]
서적
無機化学(ベーシック薬学教科書シリーズ, 4)
化学同人
[10]
서적
無機化学(ベーシック薬学教科書シリーズ, 4)
化学同人
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