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배위화합물에서 기하 이성질체는 시스와 트랜스 이외에는 없는 것인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 배위화합물에서 입체 이성질체는 크게 기하이성질체와 광학이성질체로 나눌 수 있는데요, 이 중에서 기하 이성질체의 경우, 가장 많이 접하는 예시는 말씀하신 시스(cis)와 트랜스(trans) 형태이지만 이것만 있는 것은 아니고, 배위자의 배열 형태와 배위수에 따라서 여러 가지 변형된 기하 이성질체가 존재할 수 있습니다.우선 말씀해주신 것과 같이 4배위 화합물 중 평면 사각형과 6배위 화합물의 정팔면체 구조에서는 시스, 트랜스 이성질체가 존재할 수 있습니다. 이외에도 6배위 화합물의 정팔면체 구조에서는 3개의 리간드의 배치에 따라서 fac, mer 이성질체가 나타나는데요, fac (face) 이성질체의 경우에는 같은 종류의 세 리간드가 옥타헤드랄의 한 면(face)에 위치하는 경우이며 mer (meridional) 이성질체의 경우에는 같은 종류의 세 리간드가 중심 금속을 기준으로 직선(meridian)을 따라 배열된 경우입니다. 또한 [MA₂B₂C₂] 옥타헤드랄에서는 배치 방법에 따라 시스-트랜스뿐 아니라 더 복잡한 변형 가능하며 [MA₄BC] 옥타헤드랄도 리간드 위치에 따라 서로 다른 기하 이성질체 존재 가능하고 다인산 배위자, 킬레이트 리간드가 들어가면 구조적 제약에 의해 더 많은 기하 이성질체가 나올 수도 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.26
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CFT 이론에서는 왜 일반적인 전자배치에 어긋나는 전자배치도 가능한 것인가요?
안녕하세요. 네, 맞습니다. 말씀해주신 것과 같이 일반적으로 원자나 이온의 전자배치는 아우프바우 원리, 낮은 에너지 준위부터 채우라는 법칙과 파울리 배타 원리, 한 오비탈에 최대 두 전자, 스핀 반대로 채우라는 법칙 그리고 훈트의 규칙, 같은 에너지 준위에서는 최대한 홀전자 유지를 따르는데요, 그런데 배위화학에서 CFT(결정장 이론)를 적용하면, 때로는 이 규칙과 달라 보이는 전자배치가 나타나기도 합니다. CFT 이론에서의 핵심은 d 오비탈의 에너지 갈라짐인데요, 자유 이온일 때 d 오비탈은 5개가 동등한 에너지를 가집니다.그러나 옥타헤드랄, 테트라헤드랄 등 리간드들이 금속 이온 주위에 배열되면, 리간드의 음전하 전자 구름과 d 오비탈 전자 사이의 정전기적 반발 때문에 d 오비탈이 두 그룹으로 갈라집니다. 또한 전자 배치를 할 때 선택지는 두 가지인데요, 리간드장 분리 에너지 Δ (Δoct)가 작을 때에는 전자가 높은 오비탈(e_g)에 들어가더라도 반발 비용이 적으므로, 훈트의 규칙을 따르기 때문에 이를 고스핀 배치라고 합니다. 하지만 Δ가 클 때에는 전자가 높은 오비탈로 가기보다는 낮은 오비탈에 짝지어 들어가는 게 더 안정적이며 이를 저스핀 배치이라고 하며 즉, 전자배치가 일반적인 훈트의 규칙과 달라지는 것처럼 보이는 이유는, 스핀을 맞추었을 때의 이점과 오비탈 간 에너지 차이(Δ)의 경쟁 때문이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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벤젠은 비공유 전자쌍을 갖고 있지 않은데도 불구하고 배위결합을 형성할 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 벤젠은 비공유전자쌍은 가지고 있지는 않지만 파이전자를 이용해서 배위결합을 형성할 수 있는 화합물인데요, 우선 벤젠은 sp² 혼성화된 6개의 탄소가 육각형 고리를 이루고 있습니다. 이때 각 탄소 원자는 1개의 p 오비탈을 남기는데, 이들이 겹쳐져서 공유된 π 전자 구름을 형성하고 있는데요, 이 π 전자들은 국소화된 것이 아니라, 환 전체에 걸쳐 비편재화 되어 있으며 즉, 비공유 전자쌍은 없지만, π 전자 구름이 전자 밀도가 높은 영역을 제공할 수 있는 것입니다. 또한 전이금속은 d 오비탈을 가지고 있고, 빈 궤도가 전자를 받을 수 있는데요 이때 벤젠의 π 전자 구름이 전자 공여체처럼 작용하여, 금속의 빈 d 오비탈에 전자를 주면서 배위 결합이 형성됩니다. 이런 리간드를 특별히 π-리간드(π donor)라고 부르는 것이며 예를 들어서 [Cr(η⁶-C₆H₆)₂] (비스(벤젠)크로뮴)에서 η⁶(eta-6) 표기는 벤젠의 6개 탄소가 만든 π 전자 전체가 금속과 결합에 관여한다는 뜻입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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반데르발스 힘은 어떤 상황에서 중요한 역할을 하며, 물질의 물리적 성질에 어떻게 기여하나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 극성분자와 비극성분자는 둘 다 반데르발스 힘이 작용하는데요, 크기는 공유 결합이나 이온 결합에 비해 훨씬 작지만, 분자의 성질이 모이면 무시할 수 없을 만큼 큰 효과를 발휘합니다. 반데르발스 힘은 크게 세 가지로 나눌 수 있는데요 쌍극자–쌍극자 상호작용은 극성 분자 간에 영구 쌍극자가 끌어당기는 힘이며, 쌍극자–유도 쌍극자 상호작용은 극성 분자가 비극성 분자에 순간적으로 쌍극자를 유도해서 끌어당기는 힘이고 분산력(런던 힘)은 전자의 순간적인 위치 변화로 생기는 순간 쌍극자들끼리 끌어당기는 힘, 모든 분자에서 나타나며 비극성 분자에서는 유일한 인력입니다. 또한 이와 같은 반데르발스 힘은 특히 비극성 분자의 응집에 중요한 역할을 하는데요, 헬륨, 네온, 아르곤 같은 비활성 기체도 아주 낮은 온도에서 액화·고화될 수 있는데, 이는 전적으로 분산력 덕분입니다. 또한 분자량이 큰 분자의 끓는점 상승에도 중요한 역할을 하는데요, 분자가 클수록 전자가 많아 순간적인 쌍극자가 잘 생기므로 분산력이 강해지고, 끓는점이 올라갑니다. 예를 들어 메탄(CH₄)보다 옥탄(C₈H₁₈)의 끓는점이 훨씬 높은 이유입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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분자 궤도 이론에 따르면 O₂ 분자가 상자성을 띠는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 O₂ 분자가 상자성을 띠는 이유는 분자 궤도 이론으로만 설명이 가능한데요, 원래 일반적인 원자가 결합 이론(VB)에 따르면 산소 분자는 O=O 이중 결합을 가지며, 모든 전자가 짝을 이루고 있으므로 반자성을 보여야 하는데요, 그러나 실제 실험에서는 O₂가 자석에 강하게 끌리는 상자성을 띤다는 사실이 관찰되었고, 이 모순을 해결하는 것이 바로 분자 궤도 이론입니다.산소의 경우 π(2p_x)와 π(2p_y) 궤도에 전자가 하나씩 홀전자 상태로 들어가게 되는데요, 즉, O₂ 분자 내에는 짝지어지지 않은 전자가 2개 존재하게 되고, 이 전자들이 외부 자기장에 반응하여 자석에 끌려가는 상자성을 나타내는 것입니다. 정리해보자면 O₂ 분자가 상자성을 띠는 이유는, 분자 궤도 이론에 따라 π* 반결합 궤도에 전자가 홀전자 상태로 들어가기 때문이며, 이 홀전자들이 외부 자기장과 상호작용하여 자석에 끌려가기 때문입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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수소 결합은 분자 간 인력을 강하게 만들지만, 공유 결합과 비교했을 때 어떤 차이가 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 수소결합은 분자간의 인력 중에서는 강한 편에 속하지만 분자를 이루는 힘인 공유결합에 비해서는 훨씬 약한 결합입니다. 우선 결합의 본질을 보면, 공유 결합은 두 원자가 전자를 서로 공유하여 전자쌍이 두 핵 사이에 분포하는 강한 화학 결합인데요 반면 수소 결합은 전자를 직접 공유하지 않고, 한 분자에서 부분적으로 양전하(δ⁺)를 띠는 수소 원자와 다른 분자의 전자밀도가 높은 원자(O, N, F) 사이에서 정전기적 인력으로 형성되는 비공유성 상호작용이기 때문에 공유 결합은 내부적 결합이고 수소 결합은 주로 분자 간 결합이라는 차이가 있습니다.또한 결합의 강도를 비교하면, 공유 결합은 일반적으로 수백 kJ/mol 수준의 강한 에너지를 가지는 반면, 수소 결합은 대략 10~40 kJ/mol 정도로 공유 결합보다 훨씬 약한데요 즉, 수소 결합은 분자 간 상호작용 중에서는 강한 편이지만, 공유 결합에 비하면 훨씬 쉽게 끊어질 수 있는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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금속 결합에서 자유전자가 금속의 성질과 어떻게 연결되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 금속 결합은 양전하를 띠는 금속 이온 격자 사이를 자유롭게 이동하는 전자, 즉 자유전자에 의해 안정화되는데요, 이 자유전자의 존재는 금속이 가진 여러 고유한 성질을 설명하는 핵심 요인이라고 할 수 있습니다. 우선 전기 전도성은 자유전자가 외부 전기장에 의해 쉽게 이동할 수 있기 때문에 나타나는데요, 전기장을 가하면 전자 바다가 방향성을 가지고 흐르면서 전류가 형성되는 것입니다. 또한 열 전도성 역시 자유전자의 이동성과 밀접하게 관련되어 있는데요, 금속 내부에서 에너지를 가진 자유전자가 빠르게 이동하며 다른 이온에 에너지를 전달하기 때문에 열이 효과적으로 퍼져 나갑니다. 이와 함께 금속의 전연성도 자유전자의 역할로 설명할 수 있는데요, 금속 이온이 배열된 격자가 외부 힘에 의해 변형될 때, 자유전자는 특정 결합이 끊어지는 것을 막고 이온 사이를 계속해서 결합처럼 묶어주는 역할을 합니다. 따라서 금속은 잘 구부러지고 얇게 늘어나거나 두드려도 깨지지 않는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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킬레이트 효과가 나타나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 '킬레이트 효과'란 다치 리간드가 중심 금속 이온에 배위할 때, 같은 수의 단치 리간드가 배위한 경우보다 훨씬 더 안정한 착물이 형성되는 현상을 말하는데요, 엔트로피적인 요인과 엔탈피적인 요인으로 설명이 가능합니다. 엔트로피적인 요인으로는 예를 들어서 단치 리간드가 배위할 경우에는 리간드 6개가 들어가고, 떨어져 나올 때도 6개의 분자가 빠져나오지만 다치 리간드는 3개만 들어가도 충분하므로, 반응 과정에서 자유롭게 풀려나는 분자의 수가 더 많아져 계의 무질서도(엔트로피)가 증가하는데요, 이때 엔트로피가 증가하면 자유에너지(ΔG = ΔH – TΔS)가 감소하므로, 착물이 훨씬 안정해집니다. 따라서 킬레이트 효과의 가장 큰 원인은 엔트로피적 안정성입니다. 다음으로 보조적인 요인으로 엔탈피적인 요인이 있는데요, 다치 리간드는 고리 구조를 만들며 금속 이온을 둘러싸기 때문에, 단치 리간드보다 금속 이온과의 결합이 끊어지기 어렵습니다. 또한 고리형 리간드는 금속 주위를 입체적으로 더 단단히 잡아주므로, 배위 결합이 부분적으로 협동적 성격을 띠어 결합 강도가 커지는데요, 이로 인하여 결합이 더 강하게 형성되어 엔탈피적으로도 안정화가 이루어집니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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배위 화합물이 색깔을 나타내는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 배위 화합물이 다양한 색을 띠는 현상은 결정장 갈라짐과 d–d 전이라는 전자 에너지 준위 변화에서 비롯된 현상인데요, 우선 전이 금속 이온은 보통 d 오비탈에 전자를 가지고 있습니다. 이때 리간드가 금속 이온 주위에 배열되면, 리간드의 비공유 전자쌍과 금속 d 오비탈 전자 사이에 반발이 일어나고, 이 때문에 d 오비탈의 에너지가 동일하지 않고 두 그룹으로 갈라지게 되는데요, 예를 들어서 옥타헤드랄 착물의 경우 낮은 에너지를 가진 t₂g와 높은 에너지를 가진 eg로 분리됩니다. 또한 이때 가시광선 대역의 특정 파장이 입사되면, 낮은 에너지 준위(t₂g)에 있던 전자가 높은 에너지 준위(e_g)로 들뜰 수 있는데요, 이 전이가 바로 d–d 전이라고 불리는 것이며, 전자가 들뜨는 데 필요한 에너지는 특정 파장의 빛 에너지와 일치할 때 흡수가 일어나게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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결정장 갈라짐의 크기에 영향을 미칠 수 있는 요인은 무엇이 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 착물에서 중심 금속 이온의 d 오비탈이 리간드와 상호작용할 때, 리간드의 비공유 전자쌍과 금속 이온의 전자 사이의 정전기적 반발 때문에 오비탈이 서로 다른 에너지로 분리되는 현상을 결정장 갈라짐이라고 하는데요, 이러한 결정장 갈라짐에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 금속 이온의 산화수가 있습니다. 금속의 산화수가 높을수록 금속 이온의 전하 밀도가 커지는데요, 이 경우 리간드를 더 강하게 끌어당겨 리간드와의 반발도 커지므로, 결정장 분리 에너지 Δ가 커지는 것입니다. 또한 같은 족의 금속이라면, 아래로 갈수록 이온 반지름이 커지고 4d, 5d 전이 금속은 전자 구름이 더 퍼져 있는데요, 따라서 4d, 5d 금속 착물은 3d 금속 착물보다 Δ가 큽니다.이외에도 리간드의 종류가 중요한 영향을 미치는데요, 리간드가 중심 금속에 얼마나 강하게 전자를 주거나 상호작용하느냐에 따라 Δ가 달라집니다. I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ < H₂O < NH₃ < en < NO₂⁻ < CN⁻, CO의 순서를 따르며 오른쪽으로 갈 수록 더 강한장 리간드에 해당하는데요, 강한 장 리간드일수록 d 오비탈과의 반발이 크고, 따라서 Δ가 커집니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.25
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