이원자 분자

3. 존재

수백 종의 이원자 분자가 지구 환경, 실험실, 그리고 성간 공간에서 확인되었다.^[5] 지구 대기의 약 99%는 두 종류의 이원자 분자, 즉 질소(78%)와 산소(21%)로 구성되어 있다. 지구 대기 중 수소(H₂)의 자연 존재량은 백만 분의 1 수준이지만, H₂는 우주에서 가장 풍부한 이원자 분자이다. 성간 매질은 수소 원자가 지배적이다.

4. 분자 기하학

모든 이원자 분자는 선형이며, 두 원자 사이의 거리인 결합 길이라는 단일 매개변수로 특징지어진다. 이원자 질소는 삼중 결합, 이원자 산소는 이중 결합을 가지며, 이원자 수소, 플루오린, 염소, 요오드, 브로민은 모두 단일 결합을 갖는다.^[6]

5. 역사적 의의

이원자 분자는 19세기에 원소, 원자, 분자 개념을 명확히 하는 데 중요한 역할을 했다. 수소, 산소, 질소와 같은 흔한 원소들이 이원자 분자로 존재하기 때문이다. 존 돌턴의 초기 원자 가설은 모든 원소가 단원자이며 화합물의 원자들이 가장 단순한 비율을 가질 것이라고 가정했다. 예를 들어 돌턴은 물의 화학식을 HO로 가정하여 산소의 원자량을 수소의 8배로 계산했지만,^[7] 현대적인 값은 약 16이었다. 그 결과, 약 반 세기 동안 원자량과 분자식에 대한 혼란이 있었다.

1805년, 게이뤼삭과 폰 훔볼트는 물이 수소 2부피와 산소 1부피로 형성된다는 것을 밝혔고, 1811년 아메데오 아보가드로는 아보가드로의 법칙과 이원자 원소 분자 가정을 통해 물의 조성을 정확하게 해석했다. 그러나 이러한 결과는 1860년까지 대부분 무시되었는데, 이는 같은 원소의 원자끼리는 화학적 친화력이 없을 것이라는 믿음과 아보가드로 법칙의 예외 때문이었다.

1860년 카를스루에 회의에서 칸니차로는 아보가드로의 아이디어를 부활시켜 현대 값과 거의 일치하는 일관된 원자량 표를 만들었다. 이러한 원자량은 드미트리 멘델레예프와 로타르 마이어의 주기율 발견에 중요한 전제 조건이었다.^[8],^[16]

6. 여기된 전자 상태

이원자 분자는 에너지를 흡수하면 더 높은 전자 상태로 여기될 수 있다. 여기된 상태는 불안정하여 자연적으로 바닥 상태로 돌아가면서 빛(형광)을 방출한다.

양자 역학에서 이원자 분자의 전자 상태는 분자 항 기호로 표시된다.

: $^\{2S+1\}\; \backslash Lambda\; (v)^\{+/-\}\_\{(g/u)\}$

여기서 $S$는 총 전자 스핀 양자수, $\backslash Lambda$는 핵간 축을 따라 측정된 총 전자 각운동량 양자수, $v$는 진동 양자수이다. $\backslash Lambda$는 0, 1, 2, ...의 값을 가지며, 전자 상태 기호 $\backslash Sigma$, $\backslash Pi$, $\backslash Delta$ 등으로 표시된다.

$\backslash Lambda$ 뒤의 아래 첨자와 위 첨자는 전자 상태에 대한 추가적인 양자 역학적 세부 정보를 제공한다. 위 첨자 $+$ 또는 $-$는 핵간 축을 포함하는 평면에서의 반사가 파동 함수에 부호 변화를 도입하는지 여부를 결정한다. 아래 첨자 $g$ 또는 $u$는 동일한 원자로 구성된 분자에 적용되며, 분자 축에 수직인 평면을 따라 상태를 반사할 때, 변화하지 않는 상태는 $g$(gerade, 우)로, 부호가 바뀌는 상태는 $u$(ungerade, 기)로 표기된다.

다음 표는 지구 대기에서 가장 풍부한 기체인 이원자 질소(N₂)의 가장 낮은 진동 준위($v=0$)의 에너지와 함께 일반적인 전자 상태를 나타낸다.

7. 에너지 준위

분자 항 기호는 이원자 분자의 전자 양자 상태를 나타내는 각운동량의 약식 표현이며, 이는 전자 분자 Hamiltonian의 고유 상태이기도 하다. 이원자 분자는 질량이 없는 스프링으로 연결된 두 개의 점질량으로 나타낼 수 있다. 분자의 다양한 운동과 관련된 에너지는 병진, 회전 및 진동 에너지의 세 가지 범주로 나눌 수 있다.^[9][10]

이원자 분자의 회전 에너지 준위는 회전 에너지 준위에 대한 설명을 통해, 진동 에너지 준위는 조화 진동자 근사 또는 양자 진동 상호 작용 전위를 사용하여 연구할 수 있다.^[9][10] 이러한 전위는 여러 진동 효과를 고려하므로 더 정확한 에너지 준위를 제공한다.

양자 역학을 사용한 이원자 분자에 대한 첫 번째 연구는 1926년 루시 멘싱에 의해 이루어졌다.^[11]

7. 1. 병진 에너지

7. 2. 회전 에너지

7. 3. 진동 에너지

7. 4. 회전 및 진동 에너지 간격 비교

8. 훈트의 경우

이원자 분자의 좋은 양자수와 회전 에너지 준위의 좋은 근사값은 훈트의 경우를 사용하여 분자를 모델링함으로써 얻을 수 있다.^[1]

9. 기억법

이원자 분자 목록을 기억하기 위한 방법으로 "BrINClHOF"는 "브링크레호프",^[12] "HONClBrIF"는 "혼클브리프",^[13] "HOBrFINCl"는 "호버핀클", "HOFBrINCl"는 "호프브린클"로 발음하는 연상 기호가 있다. 영어 사용자를 위한 또 다른 방법으로는 질소, 수소, 플루오린, 산소, 요오드, 염소, 브로민을 나타내는 "''Never Have Fear of Ice Cold Beer''"라는 문장이 있다.

10. 자연에 존재하는 이원자 분자 (일본어 문서 내용)

수백 종의 이원자 분자가 지구 환경, 실험실, 그리고 성간 공간에서 확인되었다.^[5] 지구 대기의 약 99%는 질소(78%)와 산소(21%) 두 종류의 이원자 분자로 구성되어 있다. 수소(H₂)는 지구 대기 중 자연 존재량이 백만 분의 1 수준이지만, 우주에서 가장 풍부한 이원자 분자이다. 성간 매질은 수소 원자가 지배적이다.

표준 상태(1기압, 25℃)에서 이원자 분자를 구성하는 대표적인 원소는 수소, 질소, 산소, 할로젠(플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘, 아스타틴^[15])이다. 기화될 때까지 가열된 금속처럼, 다른 많은 원소도 이원자 분자가 될 수 있다. 그러나 인처럼 많은 이원자 분자는 반응성이 높아 불안정하다. 또한, 소량이지만 일산화 탄소나 브로민화 수소와 같은 화합물도 만들어진다.

수소나 산소처럼 동일 원소만으로 구성된 이원자 분자는 '''등핵 이원자 분자'''(homonuclear|호모뉴클리어^영어)라고 하며, 일산화 탄소나 일산화 질소처럼 다른 두 원소로 구성된 것은 '''이핵 이원자 분자'''(heteronuclear|헤테로뉴클리어^영어)라고 한다. 등핵 이원자 분자의 화학 결합은 극성이 없고 완전한 공유 결합이다.

참조

_[1] 서적 Handbook of Chemistry and Physics
_[2] 서적 The Elements Clarendon Press
_[3] 서적 Chemistry https://books.google[...] Brooks/Cole, Cengage Learning
_[4] 간행물 New parametric emissions in diatomic sodium molecules 1996-07
_[5] 서적 Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules New York: Van Nostrand: Reinhold
_[6] 서적 Standard Level Chemistry Prentice Hall 2014
_[7] 서적 The Development of Chemical Principles https://books.google[...] Courier Corporation 1995-01-01
_[8] 간행물 The Karlsruhe Congress: A centennial retrospective http://search.jce.di[...] 2007-08-24
_[9] 간행물 Temperature guided behavioral transitions in confined helium: Gas-wall interaction effects on dynamics and transport in the cryogenic limit
_[10] 간행물 Morse potential specific bond volume: a simple formula with applications to dimers and soft–hard slab slider
_[11] 간행물 Die Rotations-Schwingungsbanden nach der Quantenmechanik 1926-11-01
_[12] 웹사이트 Mnemonic BrINClHOF (pronounced Brinklehoff) in Chemistry https://www.mnemonic[...] 2019-06-01
_[13] 서적 Chemistry and Our Changing World https://books.google[...] Prentice Hall 1992
_[14] 문서 Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules. New York: Van Nostrand: Reinhold 1979
_[15] 문서 아스타チンの最も安定な放射性同位体の半減期はたった8.3時間であり、自然界にはほとんど存在せず、通常は代表的な二原子分子として挙げられることはない。
_[16] 간행물 The Karlsruhe Congress: A centennial retrospective. 2007-08-24