화학 구조
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1. 개요
화학 구조는 분자를 구성하는 원자들의 연결, 3차원 배열, 결합 길이, 각도, 비틀림 각 등 원자 좌표의 완전한 표현을 의미한다. 케쿨레, 쿠퍼, 부틀레로프 등은 1858년경에 화학 구조에 대한 이론을 처음 개발했으며, 분자의 구조를 결정하는 방법을 구조 해석이라고 한다. 구조 해석 방법에는 분광법, 회절법, 전자 현미경 등이 있으며, 핵자기 공명 분광법, 질량 분석법, X선 결정학 등이 널리 사용된다.
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- 화학 구조 - 구조식
구조식은 분자를 이루는 원자들의 연결 방식과 결합 형태를 시각적으로 나타내는 화학식으로, 루이스 구조식, 간략 구조식, 골격 구조식 등 다양한 표현 방식이 있다. - 화학 구조 - 골격 구조식
골격 구조식은 유기 분자를 간결하게 표현하기 위해 공유 결합을 선분으로 나타내고 탄소 원자와 결합된 수소 원자를 생략하는 방법으로, 헤테로 원자에 연결된 수소는 표시하며 이중, 삼중 결합은 각각 이중, 삼중 선분으로 나타낸다. - 분석화학 - 도가니
도가니는 금속이나 기타 물질을 고온에서 가열, 용융, 정련하는 데 사용되는 용기로, 기원전 6~5천년경에 등장하여 구리 제련에 사용되었으며, 현대에는 다양한 재료와 형태로 제작되어 화학 분석, 금속 제련 등 다양한 분야에서 활용된다. - 분석화학 - 미량 원소
미량 원소는 지구과학에서 지각 내 극미량 원소를, 생물학에서 생명 활동에 필수적이나 함량이 적은 원소를 뜻하며, 두 분야의 정의는 다르나 극소량으로 존재하며 중요한 역할을 한다는 공통점이 있고, 생물학적으로는 철보다 함량이 적은 원소를 지칭하며, 인체 필수 미량 원소 결핍 및 과다 섭취는 건강 문제를 야기하므로 적정량 섭취가 중요하다.
| 화학 구조 | |
|---|---|
| 화학 구조 | |
| 정의 | 분자를 구성하는 원자들의 연결 방식과 공간적 배열을 나타내는 구조 |
| 표현 방법 | 루이스 구조: 원자 간 결합 및 비공유 전자쌍 표시 골격식: 탄소 골격 및 작용기 표시 (수소 원자 생략) 분자 모형: 3차원 공간에서의 원자 배열 시각화 |
| 구조 결정 방법 | |
| 실험적 방법 | X선 결정법: 결정 상태의 분자 구조 분석 핵자기 공명 분광법(NMR): 용액 상태의 분자 구조 분석 적외선 분광법(IR): 분자 진동 분석을 통한 작용기 확인 질량 분석법(MS): 분자량 및 조각 이온 분석 |
| 이론적 방법 | 분자 모델링: 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 분자 구조 예측 양자 화학 계산: 슈뢰딩거 방정식을 풀어 분자 에너지 및 구조 계산 |
| 화학 결합 | |
| 종류 | 공유 결합: 원자 간 전자쌍 공유 이온 결합: 이온 간 정전기적 인력 금속 결합: 금속 원자 간 자유 전자 공유 수소 결합: 수소 원자와 전기 음성적인 원자 사이의 인력 반 데르 발스 힘: 분자 간 약한 인력 |
| 극성 | 극성 공유 결합: 전기 음성도 차이에 의한 부분적인 전하 분리 무극성 공유 결합: 전기 음성도가 동일한 원자 간 결합 |
| 분자 구조 | |
| 분자 모양 | 선형 분자: 원자들이 직선으로 배열 (예: CO2) 삼각 평면 분자: 중심 원자를 중심으로 세 개의 원자가 평면상에 배열 (예: BF3) 사면체 분자: 중심 원자를 중심으로 네 개의 원자가 정사면체 꼭짓점에 배열 (예: CH4) 각형 분자: 굽은 형태 (예: H2O) 삼각뿔 분자: 중심 원자를 중심으로 세 개의 원자와 한 개의 비공유 전자쌍이 존재 (예: NH3) |
| 분자 내 힘 | 결합 길이: 원자핵 간 거리 결합각: 원자 간 결합선이 이루는 각도 비틀림 각: 인접한 결합면이 이루는 각도 |
| 관련 개념 | |
| 구조 이성질체 | 분자식은 같지만 원자 연결 방식이 다른 이성질체 |
| 입체 이성질체 | 분자식과 원자 연결 방식은 같지만 공간 배열이 다른 이성질체 |
| 응용 | |
| 약물 설계 | 분자 구조 기반으로 약물 후보 물질 설계 |
| 신소재 개발 | 특정 구조를 갖는 분자를 이용하여 새로운 기능성 재료 개발 |
| 촉매 설계 | 반응에 적합한 분자 구조를 갖는 촉매 개발 |
2. 화학 구조 이론의 발전
화학 구조 이론은 19세기 중반 케쿨레, 쿠퍼, 부틀레로프 등에 의해 처음 개발되었다.[4] 이들은 화학 화합물이 원자와 작용기의 무작위적인 집합이 아니라, 분자를 구성하는 원자들의 원자가에 의해 정의되는 명확한 순서를 가지며, 이로 인해 결정하거나 해결할 수 있는 3차원 구조를 갖는다는 것을 처음으로 밝혔다.
화학 구조와 관련하여, 분자 내 원자의 순수한 연결성(화학적 구성), 3차원 배열(분자 배열, 예를 들어 카이랄성에 대한 정보 포함) 및 결합 길이, 각도 및 비틀림 각의 정확한 결정, 즉 (상대적인) 원자 좌표의 완전한 표현을 구분해야 한다.
화합물의 구조를 결정할 때, 일반적으로 먼저 최소한으로 분자 내 모든 원자 사이의 결합 패턴과 정도를 얻는 것을 목표로 한다. 가능한 경우, 분자(또는 다른 고체) 내 원자의 3차원 공간 좌표를 찾는다.[5]
2. 1. 초기 이론
케쿨레, 쿠퍼, 부틀레로프 등은 1858년경 화학 구조에 대한 이론을 처음 개발했다.[4] 이들은 화학 화합물이 원자와 작용기의 무작위적인 집합이 아니라, 분자를 구성하는 원자들의 원자가에 의해 정의되는 명확한 순서를 가지며, 이로 인해 결정하거나 해결할 수 있는 3차원 구조를 갖는다는 것을 처음으로 밝혔다.3. 화학 구조의 결정
화학 구조를 결정하는 것은 분자 내 원자들의 연결 방식, 3차원 배열, 결합 길이 및 각도 등을 파악하는 것을 의미한다. 분자의 구조를 결정하는 방법을 구조 해석이라고 한다.
구조 해석에는 다양한 방법이 사용되는데, 크게 분광법, 회절법, 기타 방법으로 나눌 수 있다. 어떤 방법을 사용하느냐에 따라 원자의 연결성만 고려할 수도 있고, 정밀한 3차원 거리 정보를 얻을 수도 있다.
3. 1. 구조 해석 방법
분자의 구조를 결정하는 방법을 구조 해석이라고 한다. 분자의 화학 구조를 밝혀내기 위해 다양한 방법들이 사용된다.원자의 연결성만 고려할 때는 핵자기 공명 (NMR) 분광법, 질량 분석법과 같은 분광법이 사용된다. 정밀한 3차원 거리 정보를 얻기 위해서는 기체의 경우 기체 전자 회절법, 마이크로웨이브 (회전) 분광법을 사용하고, 결정성 고체의 경우 X선 결정학[6] 또는 중성자 회절법을 사용한다. 이러한 기술은 원자 수준의 광학적 분해능으로 3차원 모델을 생성할 수 있다.[7]
작용기에 짝짓지 않은 전자 스핀을 갖는 분자의 경우, ENDOR 및 전자 스핀 공명 분광법을 수행할 수 있다. 전자 현미경과 같은 보다 전문적인 방법도 어떤 경우에는 적용될 수 있다.
3. 1. 1. 분광학적 방법
핵자기 공명(NMR) 분광법(양성자 NMR 및 탄소-13 NMR), 다양한 질량 분석법(전체 분자량 및 단편 질량 제공)과 같은 분광법은 원자의 연결성을 고려할 때 사용된다. 흡수 분광법과 진동 분광법(적외선 분광법 및 라만 분광법)은 각각 다중 결합의 수와 인접성, 그리고 작용기의 종류(내부 결합이 진동 특성을 제공함)에 대한 중요한 보조 정보를 제공한다. 순환 전압전류법과 X선 광전자 분광법은 분자의 기여 전자 구조에 대한 통찰력을 제공하는 추가적인 추론 연구에 포함된다.3. 1. 2. 회절법
X선 결정학[6] 또는 중성자 회절법은 결정성 고체 내 원자들의 3차원 배열을 원자 수준의 분해능으로 파악할 수 있게 해준다. 일반적으로 거리의 경우 0.001 Å, 각도의 경우 0.1°의 정밀도를 갖는다(특수한 경우 더 높은 정밀도를 가질 수 있음).[7][6] 기체의 경우 기체 전자 회절법과 마이크로웨이브(회전) 분광법을 통해 정밀한 3차원 거리 정보를 얻을 수 있다.3. 1. 3. 기타 방법
분자가 구조의 작용기에 짝짓지 않은 전자 스핀을 가지는 경우, 전자 스핀 공명 분광법 및 ENDOR 분광법을 수행할 수 있다.[6] 이러한 기술들은 분자가 금속 원자를 포함하는 경우, 그리고 결정학에 필요한 결정이나 NMR에 필요한 특정 원자 종류를 구조 결정에 활용할 수 없는 경우에 더욱 중요해진다. 마지막으로, 전자 현미경과 같은 보다 전문적인 방법도 어떤 경우에는 적용될 수 있다.4. 화학 구조 분석의 중요성 (대한민국)
대한민국에서는 화학 물질 관리 및 환경 규제 강화에 따라 화학 구조 분석의 중요성이 더욱 강조되고 있다.
참조
[1]
서적
Molecules and Models: The Molecular Structures of Main Group Element Compounds
https://www.worldcat[...]
Oxford University Press
2008
[2]
서적
Valency and Bonding: A Natural Bond Orbital Donor-Acceptor Perspective
https://www.worldcat[...]
Cambridge University Press
2005
[3]
서적
Chemical Bonding and Molecular Geometry: From Lewis to Electron Densities
https://www.worldcat[...]
Oxford University Press
2001
[4]
문서
36th congress of the German physicians and scientists
1861
[5]
서적
Structural inorganic chemistry
https://www.worldcat[...]
2012-07-12
[6]
서적
Structural methods in molecular inorganic chemistry
https://www.worldcat[...]
2013-01-02
[7]
서적
Crystal structure analysis for chemists and biologists
https://www.worldcat[...]
VCH
1994
[8]
서적
Molecules and models : the molecular structures of main group element compounds
https://www.worldcat[...]
Oxford University Press
2008
[9]
서적
Valency and bonding : a natural bond orbital donor-acceptor perspective
https://www.worldcat[...]
Cambridge University Press
2005
[10]
서적
Chemical bonding and molecular geometry : from Lewis to electron densities
https://www.worldcat[...]
Oxford University Press
2001
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