F오비탈을 채우는 전이 금속들은 왜 배위결합을 잘 형성하지 않는 것인가요?

Question

안녕하세요. 공유 결합의 한 예시로 전이금속이 주로 형성하는 배위결합 화합물에서, F오비탈을 채우는 전이 금속들은 왜 배위결합을 잘 형성하지 않는 것인가요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 전이 금속이 배위결합을 잘하는 이유는 부분적으로 비어 있는 d 오비탈과 상대적으로 알맞은 에너지 준위 때문인데요, 하지만 f 오비탈을 채우는 란타넘족·악티늄족 금속들은 이와 다른 특성을 지니기 때문에 배위결합 형성 능력이 상대적으로 떨어진다고 볼 수 있습니다.

우선 d 오비탈은 원자핵에서 비교적 멀리 퍼져 있으며, 방향성이 뚜렷해 배위자의 전자쌍과 효과적으로 겹칠 수 있는데요, 그러나 f 오비탈은 매우 안쪽에 위치하고 방사형 확장이 작아서, 배위자의 전자쌍과 공간적으로 겹침이 잘 이루어지지 않습니다. 즉, 배위결합을 형성하기 위한 오비탈 겹침이 비효율적이므로 결합력이 약합니다.

또한 f 오비탈 전자는 차폐 효과가 크지 못해서, 바깥쪽 5d, 6s 전자들이 핵에 강하게 잡히는데요, 이 때문에 란타넘족에서 잘 알려진 란타넘 수축이 나타나며, 금속 이온의 반지름은 작아지지만 오비탈 겹침 능력은 오히려 떨어집니다. 따라서 배위자가 접근할 때 정전기적 결합 능력, 즉 이온 결합적 성격은 가능하지만, 공유 결합적 성격은 약하기 때문에 배위결합을 잘 형성하지 못하는 것입니다. 감사합니다.