삼중 결합
1. 개요
삼중 결합은 두 원자 간에 세 쌍의 전자가 공유되는 화학 결합이다. 아세틸렌과 같은 분자에서 각 탄소 원자는 sp 오비탈 혼성을 통해 하나의 시그마 결합과 두 개의 파이 결합을 형성한다. 굽은 결합 모델은 파이 결합 없이 세 개의 sp³ 로브의 겹침으로 삼중 결합을 설명하기도 한다. 산소 외의 원소, 특히 전이 금속에서도 삼중 결합이 나타나며, 텅스텐 화합물과 이인의 예시가 있다.
| 종류 | 화학 결합 |
|---|---|
| 결합 전자 수 | 6 |
| 결합 유형 | 1개의 시그마 결합과 2개의 파이 결합 |
| 결합 길이 | 삼중 결합은 단일 결합이나 이중 결합보다 짧다. |
|---|---|
| 결합 에너지 | 삼중 결합은 단일 결합이나 이중 결합보다 강하다. |
| 반응성 | 삼중 결합을 가진 분자는 단일 결합이나 이중 결합을 가진 분자보다 반응성이 크다. |
| 예시 | 아세틸렌 (H−C≡C−H) 사이안화 수소 (H−C≡N) 일산화탄소 (C≡O) 다이수소화 다이붕소 (Dihydrodiboron(2), B₂H₂) |
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화학 결합 -
원자가 전자
원자가 전자는 원자의 최외각 전자껍질에 존재하며 화학적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하고, 주족 원소는 최외각 전자껍질의 전자로 정의되지만 전이 원소는 (n-1)d 궤도의 전자도 포함하며, 주기율표 족에 따라 예측 가능하지만 예외도 존재하고, 화학 결합, 산화 상태, 전기 전도도에 영향을 미친다. -
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파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.
2. 결합
삼중 결합은 오비탈 혼성이나 굽은 결합 모델로 설명할 수 있다. 아세틸렌을 예로 들면, 혼성 궤도 이론에서는 탄소 원자가 sp 오비탈과 p 오비탈을 이용하여 시그마 결합 1개와 파이 결합 2개를 형성한다고 설명한다. 굽은 결합 모델에서는 파이 결합 없이 sp3 로브 3개가 겹쳐져 삼중 결합이 형성된다고 본다.
산소 외에도 많은 원소들이 삼중 결합을 형성할 수 있는데, 특히 일부 전이 금속에서 흔하게 나타난다. 헥사(tert-부톡시)디텅스텐(III) 및 헥사(tert-부톡시)디몰리브덴(III)은 금속-금속 결합 거리가 약 233pm인 대표적인 예이다. 헥사(tert-부톡시)디텅스텐(III)은 알킨과의 반응을 통해 RC≡W(OBut)3 화학식을 갖는 금속-탄소 삼중 결합 화합물을 생성하기도 한다.
인은 반응성이 높은 이원자 분자인 이인으로 존재할 수 있으며, 이 때 결합 해리 에너지는 질소 분자의 약 절반 정도이다.
2.1. 혼성 궤도 이론
삼중 결합은 오비탈 혼성으로 설명할 수 있다. 아세틸렌의 경우, 각 탄소 원자는 두 개의 sp 오비탈과 두 개의 p 오비탈을 갖는다. 두 개의 sp 오비탈은 선형이며, 180°의 결합각을 가지며, 데카르트 좌표계에서 x축을 차지한다. p 오비탈은 y축과 z축에서 sp 오비탈에 수직이다. 원자들이 서로 접근하면, sp 오비탈이 겹쳐져 sp-sp 시그마 결합을 형성한다. 동시에 pz 오비탈이 접근하여 함께 pz-pz 파이 결합을 형성한다. 마찬가지로, 다른 py 오비탈 쌍은 py-py 파이 결합을 형성한다. 결과적으로 하나의 시그마 결합과 두 개의 파이 결합이 형성된다.
굽은 결합 모델에서, 삼중 결합은 파이 결합을 도입할 필요 없이 세 개의 sp3 로브가 겹쳐져 형성될 수도 있다.
3. 산소 외 원소의 삼중 결합
산소 외의 많은 원소들도 삼중 결합을 형성할 수 있다. 전이 금속에서 흔하게 나타나며, 인은 반응성이 높은 이원자 분자인 이인으로 존재할 수 있는데, 이는 결합 해리 에너지가 질소 분자의 약 절반이다.