안녕하세요, 냉철한라마35님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 분자 오비탈 이론은 원자가 결합할 때 전자 파동의 간섭으로 결합성과 반결합성 오비탈이 형성된다고 보며, 에너지가 낮은 결합성 오비탈에 전자가 채워질수록 안정한 분자가 형성되고 산소 분자는 홀전자 때문에 자성을 띤답니다.
■ 파동의 간섭과 결합성 및 반결합성 오비탈의 에너지 차이
원자 오비탈이 겹칠 때 파동의 위상이 같으면 보강 간섭이 일어나 결합성 오비탈이 생깁니다. 이 오비탈은 두 원자핵 사이에 전자 밀도를 집중시켜 핵 사이의 반발을 줄이고 인력을 극대화하므로 원래 원자보다 에너지가 낮아져 안정한 결합을 만드는데요. 반대로 위상이 다르면 상쇄 간섭이 일어나 반결합성 오비탈이 형성됩니다. 핵 사이에 전자가 존재할 수 없는 마디면이 생겨 핵끼리 서로 밀어내므로 에너지가 원래보다 높아져 분자가 불안정해지는데요. 따라서 에너지가 낮은 결합성 오비탈에 전자가 더 많이 채워져야 알짜 결합이 형성되어 분자가 안정해집니다.
■ 산소 분자의 전자 배치와 상자성을 띠는 원리
기존 루이스 구조는 산소 분자의 모든 전자가 짝을 지어 자성이 없다고 보았으나, 실제 액체 산소는 자석에 붙는 상자성을 보입니다. 분자 오비탈 이론에 따라 산소의 원자가 전자 12개를 에너지 준위에 맞춰 채우면 그 이유가 명확해지는데요. 마지막 단계에서 에너지가 같은 2개의 파이 반결합성 오비탈에 전자가 들어갈 때, 훈트 규칙에 따라 스핀 방향이 같은 홀전자가 하나씩 따로 채워집니다. 이처럼 짝을 짓지 않은 2개의 홀전자가 고유한 자기 모멘트를 지니기 때문에 산소 분자가 외부 자기장에 끌리는 상자성을 띠게 되는 것이지요.
정리하자면,
보강 간섭으로 생긴 결합성 오비탈은 핵 사이 인력을 높여 분자를 안정화하며, 산소 분자는 반결합성 오비탈에 홀전자 2개가 남아 자석에 반응하는 상자성을 띤다는 사실을 분자 오비탈 이론을 통해 명쾌하게 증명할 수 있답니다.
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