안녕하세요. 오늘은 시그마 결합과 파이 결합 수를 세는 방법에 대해서 알려드리도록 하겠습니다. 대학교에서 일반화학을 배우는 분들이라면 필수적으로 알아야 하는 내용이므로, 마지막에는 쉽게 계산하는 방법도 알려드릴테니 집중해서 따라오시면 분명 도움이 될 것입니다.
혼성 오비탈에 대한 이해
시그마 결합과 파이 결합수를 세는 방법에 대해서 배우기에 앞서서, 반드시 혼성 오비탈 개념을 먼저 이해해야 합니다. 혼성 오비탈이란 기존의 오비탈 개념 (s오비탈, p오비탈 등등)으로는 설명할 수 없는 결합각이나 에너지를 설명하기 위해서 새롭게 제안된 오비탈 모델이라고 생각하시면 됩니다. 이름에서 짐작해볼 수 있듯이, 혼성 오비탈이란 두 개 이상의 원자 오비탈이 혼성(혼합)된 오비탈을 형성한다는 개념입니다.
여기서 한가지는 무조건 머리에 기억해 두어야 합니다. 바로, 혼성화로 형성되는 혼성 오비탈의 수는 혼성화에 사용된 원자 오비탈의 수와 항상 같다는 사실입니다. 예를 들어보겠습니다. 만약 s오비탈 1개와 p오비탈 3개가 혼성되어 만들어진 혼성 오비탈이 있다면, 그것의 개수는 4개입니다. 반면, s오비탈 1개와 p오비탈 2개가 혼성되어 만들어진 혼성 오비탈의 개수는 3개입니다.
sp3 혼성 오비탈
s오비탈 1개와 p오비탈 3개가 혼성되어서 만들어지는 오비탈은 sp3오비탈입니다. 앞서 말씀드린 논리에 따라서, 만들어지는 sp3 혼성 오비탈의 갯수는 4개입니다. CH4(메테인)에서 탄소가 가지고 있는 오비탈이 이와 같은 경우입니다.
sp2 혼성 오비탈
s오비탈 1개와 p오비탈 2개가 혼성되어서 만들어지는 오비탈은 sp2오비탈입니다. 마찬가지로, 만들어지는 sp2 혼성 오비탈의 갯수는 3개입니다. 예시로는 CO2가 있습니다.
sp 혼성 오비탈
s오비탈 1개와 p오비탈 1개가 혼성되어서 만들어지는 오비탈은 sp오비탈입니다. 만들어지는 sp 혼성 오비탈의 갯수는 2개입니다. 예시로는 C2H2가 있습니다.
파이 결합과 시그마 결합
파이 결합과 혼성 오비탈은 아주 밀접한 관계가 있습니다. 먼저 sp3 혼성 오비탈부터 생각해봅시다. 기존의 원자 오비탈 이론을 생각해보면 s오비탈 하나와 p오비탈 3개가 있을 겁니다. 여기에서 s오비탈 1개와 p오비탈 3개가 모두 혼성되어서 sp3 오비탈 4개가 만들어집니다. 이렇게 만들어진 sp3 혼성 오비탈은 결합 시에 모두 시그마 결합을 형성합니다.
반면 sp2와 sp의 경우에는 조금 다릅니다. 먼저 sp2의 상황을 봅시다. 원래는 s오비탈 1개와 p오비탈 3개가 있는데, p오비탈 3개중에서 2개만 s오비탈과 결합합니다. 그 결과, sp2 혼성 오비탈 3개가 형성되지만, p오비탈 하나는 덩그러니 남습니다. 이 남은 p오비탈이 핵심입니다. sp2 혼성 오비탈은 결할 시, 시그마 결합을 형성하지만, 남아 있는 1개의 p오비탈은 파이 결합을 형성합니다. sp 혼성 오비탈도 같은 개념으로 생각해 볼 수 있습니다. p오비탈 3개 중에서 1개만 s오비탈과 혼성되어서 sp 혼성 오비탈을 1개 만들고, p오비탈은 2개가 남습니다. 따라서 남은 2개의 p오비탈이 파이 결합을 형성합니다.
만약 시그마 결합만 있다면, 그것은 단일 결합입니다. 시그마 결합에 파이 결합이 하나 추가 된다면, 이중 결합으로 나타납니다. 시그마 결합 하나에 파이 결합이 두 개가 있다면 삼중 결합이 되는 것입니다.
시그마 결합 파이 결합 수 빠르게 세는 방법
마지막으로 시그마 결합과 파이 결합 수를 빠르게 세는 방법을 알려드리겠습니다. 사실 매우 간단합니다. 일단 먼저 시그마 결합 수를 세줘야합니다. 구조식을 먼저 그리고, 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합을 그냥 모두 같은 "결합"이라고 생각하고 세줍니다. 가령 단일 결합 2개와 이중결합 1개, 삼중결합 1개가 있다고 치면 "결합"의 개수는 그냥 4개라고 생각합시다. 그러면 그 "결합"의 수가 시그마 결합의 개수입니다.
그럼 파이 결합은 어떻게 될까요? 구조 식에서 아까 앞서서 센 결합을 하나씩 지워줍니다. 이중 결합에서 하나를 지우면 결합이 하나 남는 모양새가 되겠죠. 삼중결합에서는 하나를 지우면 결합 2개가 남는 모양새가 됩니다. 구조식에서 작대기로 나타나는 그 결합의 개수를 하나씩 세주시면 됩니다. 다만, 이때는 앞서서 셌던 방식과는 다르게 작대기 하나를 하나의 결합으로 생각하고 세줍니다. 예를 들어, 삼중결합에서 작대기 하나를 지우면 작대기 2개가 남으므로 결합이 2개 남아 있는 것입니다. 그렇게 해서 모두 세준 작대기의 개수가 파이 결합의 수입니다.
오늘은 시그마 결합과 파이 결합의 수를 쉽게 세는 방법에 대해서 알아봤습니다. 혼성 오비탈의 개념부터 파이 결합과 시그마 결합의 개념까지 간단하게 알려드렸는데요. 부디 도움이 되셨길 바랍니다. 감사합니다.
