분자 기하학

분자 기하학은 분자를 구성하는 원자의 3차원 배열이다.이것은 분자의 일반적인 모양뿐만 아니라 결합 길이, 결합 각도, 비틀림 각도 및 각 원자의 위치를 결정하는 다른 기하학적 매개변수를 포함합니다.

분자 기하학은 반응성, 극성, 물질의 위상, 색, 자기, 그리고 생물학적 ^[1][2][3]활동을 포함한 물질의 몇 가지 특성에 영향을 미칩니다.원자가 형성하는 결합 사이의 각도는 분자의 나머지 부분에만 약하게 의존한다. 즉, 그것들은 대략적인 국소적 특성으로 이해될 수 있다.

결정.

분자 기하학은 다양한 분광법과 회절법에 의해 결정될 수 있다.IR, 마이크로파 및 라만 분광법은 이러한 기술에 의해 검출된 진동 및 회전 흡광도의 세부 사항으로부터 분자 형상에 대한 정보를 제공할 수 있다.X선 결정학, 중성자 회절, 전자 회절은 원자핵 사이의 거리와 전자 밀도의 농도를 바탕으로 결정 고체의 분자 구조를 제공할 수 있다.기체 전자 회절은 기체상의 소분자에 사용할 수 있다.NMR 및 FLET 방법을 사용하여 상대 거리,^[4][5][6] 이면각,^[7][8] 각도 및 연결성을 포함한 보완 정보를 결정할 수 있습니다.분자 기하학은 낮은 온도에서 가장 잘 결정되는데, 이는 분자 구조가 더 접근하기 쉬운 기하학에서 평균화되기 때문입니다(다음 섹션 참조).더 큰 분자는 종종 잠재적 에너지 표면에서 에너지가 가까운 여러 안정적인 기하학(구성 이성질)에 존재합니다.기하학은 또한 ab initio 양자 화학법에 의해 높은 정확도로 계산될 수 있다.분자 형상은 고체, 용액 및 기체로 다를 수 있습니다.

각 원자의 위치는 인접한 원자에 연결되는 화학 결합의 성질에 의해 결정됩니다.분자 기하학은 두 개의 결합된 원자의 결합 길이, 세 개의 연결된 원자의 결합 각도, 그리고 세 개의 연속된 결합의 비틀림 각도(이면체 각도)를 불러일으키는 공간에서의 이 원자들의 위치로 묘사될 수 있다.

열 들뜸의 영향

분자 내 원자의 움직임은 양자역학에 의해 결정되기 때문에, "운동"은 양자역학적인 방법으로 정의되어야 한다.전체적인 (외부) 양자 역학적 움직임의 변환과 회전은 분자의 형상을 거의 바꾸지 않는다.(회전은 코리올리의 힘과 원심 왜곡을 통해 기하학에 어느 정도 영향을 미치지만, 현재 논의에서는 무시할 수 있습니다.)변환과 회전 외에, 세 번째 유형의 운동은 분자 진동으로, 결합 신장 및 결합 각도 변동과 같은 원자의 내부 움직임에 대응합니다.분자 진동은 조화롭고(적어도 근사치까지), 원자는 절대 0도 온도에서도 평형 위치에서 진동합니다.절대 0에서는 모든 원자가 진동 지상 상태에 있고 0점 양자 역학적 움직임을 나타내므로 단일 진동 모드의 파동 함수는 날카로운 피크가 아니라 유한 폭의 지수(양자 고조파 발진기 기사에 나타난 n = 0에 대한 파동 함수)이다.높은 온도에서 진동 모드는 열적으로 흥분할 수 있지만(고전 해석에서는 "분자가 더 빨리 진동할 것"이라고 표현함), 여전히 분자의 인식 가능한 기하학 주위에서 진동합니다.

그 확률에 대한 분자의 진동 열로 흥분할 수 있는 느낌을 받기 위해, 우리는 β ≡ 지수 함수(−.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-p는 볼츠만 인자를 점검하고 있다.Arser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}ΔE/kT하고 진동 모드의 ΔE은 들뜸 에너지, 볼츠만과 티 상수 k절대 온도를.298K(25°C)에서 볼츠만 인자 β의 일반적인 값은 다음과 같습니다.

• β = δE의 경우 0.0890 = 0500⁻¹ cm
• β = 0.0080(δE일 경우) = 1000cm⁻¹
• β = δE의 경우 0.0007 = 1500⁻¹ cm.

(상호 센티미터는 적외선 분광학에서 일반적으로 사용되는 에너지 단위이며, 1cm는⁻¹ 1.23984×10⁻⁴ eV에 해당합니다.)들뜸 에너지가 500⁻¹ cm일 때, 분자의 약 8.9 퍼센트는 실온에서 열적으로 들뜬다.전체적인 관점에서 보자면, 물에서 가장 낮은 들뜸 진동 에너지는 굽힘 모드(약 1600cm⁻¹)입니다.따라서, 실온에서 주어진 양의 물 분자의 0.07 퍼센트 미만이면 절대 영도에서보다 더 빨리 진동할 것이다.

위와 같이, 회전은 분자 기하학에 거의 영향을 미치지 않는다.그러나 양자역학적 운동으로서 비교적 낮은 온도(진동에 비해)에서 열적으로 들뜨게 됩니다.고전적인 관점에서 보면 온도가 높을수록 더 많은 분자가 더 빨리 회전한다고 말할 수 있는데, 이는 그들이 더 높은 각속도와 각운동량을 가지고 있다는 것을 의미한다.양자역학 언어에서: 더 높은 각운동량의 고유 상태가 온도 상승으로 열적으로 채워집니다.일반적인 회전 들뜸 에너지는 약 몇 cm입니다⁻¹.많은 스펙트럼 분석 실험의 결과는 회전 상태에 대한 평균화를 수반하기 때문에 넓어진다.실험 평균에서 탐색한 회전 상태의 수는 온도가 증가함에 따라 증가하기 때문에 고온에서 스펙트럼에서 기하학을 추출하는 것이 종종 어렵다.따라서, 높은 온도에서는 너무 많은 높은 회전 상태가 열적으로 채워지기 때문에, 많은 스펙트럼 분석 관찰은 절대 0에 가까운 온도에서만 신뢰할 수 있는 분자 기하학적 구조를 산출할 것으로 기대할 수 있다.

본딩

분자는 정의상 단결합, 이중결합 및/또는 삼중결합을 포함하는 공유결합과 함께 가장 자주 결합되며, 여기서 "결합"은 전자의 공유쌍이다.

분자 기하학은 '결합 길이', '결합 각도' 및 '토션 각도'로 지정할 수 있습니다.결합 길이는 주어진 분자에서 함께 결합된 두 원자의 핵 사이의 평균 거리로 정의됩니다.결합각은 적어도 2개의 결합에 걸쳐 3개의 원자 사이에 형성되는 각도이다.4개의 원자가 연쇄로 결합할 경우 비틀림 각도는 처음 3개의 원자에 의해 형성된 평면과 마지막 3개의 원자에 의해 형성된 평면 사이의 각도입니다.

1개의 중심 원자와 4개의 주변 원자에 대한 결합 각도 사이에는 다음과 같은 결정식에 의해 표현되는 수학적 관계가 있습니다.이 제약은 (원래) 6개의 자유 결합 각도의 선택에서 자유도를 제거하여 5개의 결합 각도의 선택만 남긴다.(각도₁₁ θ, θ₂₂, θ는₃₃₄₄ 항상 0이며, 제곱행렬을 확장/축소함으로써 이 관계를 다른 수의 주변 원자에 대해 변경할 수 있음에 유의하십시오.)

${0=\displaystyle{\begin{vmatrix}\cos\theta _{11}&,\cos \theta _{12}&,\cos \theta _{13}&, \cos\theta _{14}\\\cos\theta _{21}&,\cos \theta _{22}&,\cos \theta _{23}&, \cos\theta _{24}\\\cos\theta _{31일}&,\cos \theta _{32}&,\cos \theta _{33}&, \cos\theta _{34}\\\cos\theta _{41}&,\cos \theta _{42}&, \cos\theta _{43}&.앰프,\cos \theta _{44}\end{vmatrix}}}$

분자 기하학은 전자의 양자역학적 거동에 의해 결정된다.원자가 결합 근사치를 사용하면 분자를 구성하는 원자 사이의 결합 유형으로 이해할 수 있습니다.원자가 화학 결합을 형성하기 위해 상호작용할 때, 각 원자의 원자 궤도는 궤도 교배라고 불리는 과정에서 결합한다고 한다.가장 일반적인 두 가지 결합 유형은 시그마 결합(일반적으로 하이브리드 오비탈에 의해 형성됨)과 파이 결합(주 그룹 원자의 비하이브리드 p 오비탈에 의해 형성됨)입니다.기하학은 또한 전자가 비국재화되는 분자 궤도 이론에 의해 이해될 수 있다.

원자와 분자에서 전자의 파동 같은 거동에 대한 이해는 양자 화학의 주제이다.

이성질체

이성질체는 화학식을 공유하지만 서로 다른 기하학적 구조를 가지고 있는 분자의 유형으로 다음과 같은 성질을 가지고 있습니다.

• 순수한 물질은 오직 한 종류의 분자 이성질체로 구성되어 있다(모두 같은 기하학적 구조를 가지고 있다.
• 구조 이성질체는 화학식은 같지만 물리적 배열은 다르며, 종종 매우 다른 특성을 가진 대체 분자 기하학을 형성합니다.그 원자들은 같은 순서로 결합되어 있지 않다.
  • 기능성 이성질체는 구조 이성질체의 특별한 종류로, 특정 그룹의 원자들이 에테르나 알코올과 같은 특별한 종류의 행동을 보입니다.
• 입체 이성질체는 많은 유사한 물리 화학적 특성(녹는점, 끓는점)을 가지며 동시에 매우 다른 생화학적 활성을 가질 수 있다.이것은 그들이 살아있는 시스템에서 흔히 볼 수 있는 손재주를 보이기 때문입니다.이 키랄리티 또는 핸드니스에 대한 한 가지 징후는 편광의 방향을 바꾸는 능력을 가지고 있다는 것입니다.
• 단백질 접힘은 단백질이 취할 수 있는 복잡한 기하학적 구조와 다른 이성질체와 관련이 있다.

분자 구조의 종류

결합각은 인접한 두 결합 사이의 기하학적 각도입니다.단순한 분자의 일반적인 형태는 다음과 같습니다.

• 선형: 선형 모형에서 원자는 직선으로 연결됩니다.본드 각도는 180°로 설정됩니다.예를 들어 이산화탄소와 일산화질소는 선형 분자 형태를 가지고 있다.
• 삼각 평면:삼각 평면 형상의 분자는 어느 정도 삼각형이며, 1개의 평면(평탄)에 있습니다.이것에 의해, 본드 각도가 120°로 설정된다.예를 들어 삼불화붕소입니다.
• 각도:각진 분자(굴곡 또는 V자형이라고도 함)는 비선형 모양을 가지고 있다.예를 들어, 약 105°의 각도를 가진 물(HO₂)입니다.물 분자는 2쌍의 결합 전자와 2쌍의 비공유 단일 쌍을 가지고 있다.
• 사면체:4면체는 4면체를 의미하고, 4면체는 고체 면과 관련되므로, "4면체"는 문자 그대로 "4면체"를 의미합니다.이 모양은 하나의 중심 원자에 4개의 결합이 있고 추가적인 비공유 전자 쌍이 없을 때 발견됩니다.VSEPR(Valence-Shell Electron Pair Reposion Theory)에 따르면 전자결합 간의 결합각은 아크코스θ1/3) = 109.47°이다.예를 들어 메탄(CH₄)은 사면체 분자입니다.
• 팔면체:옥타-는 8을 의미하고, -headral은 고체의 면과 관련되므로, "8면체"는 "8개의 면을 가지고 있다"를 의미합니다.접합 각도는 90도입니다.예를 들어 육불화황(SF)₆은 팔면체 분자이다.
• 삼각추체:삼각기저를 가진 피라미드 모양 분자를 가진다.선형 및 삼각 평면 모양과 달리 사면체 방향과 유사하지만 피라미드 모양은 전자를 완전히 분리하기 위해 3차원이 필요합니다.여기에서는 단 3쌍의 결합 전자만 존재하며, 하나의 공유되지 않은 단일 쌍이 남습니다.단독 쌍 – 결합 쌍 반발은 결합 각도를 사면체 각도에서 약간 더 ^[9]낮은 값으로 변경합니다.예를 들어 암모니아(NH)입니다₃.

VSEPR 테이블

아래 표의 결합 각도는 단순한 VSEPR 이론("Vesper 이론"^{[citation needed]}으로 발음됨)의 이상적인 각도이며, 이 각도가 다른 다음 열에 제시된 예제의 실제 각도입니다.삼각추형 및 구부러짐과 같은 많은 경우 예제의 실제 각도는 이상적인 각도와 다르며 예제의 양도 다릅니다.예를 들어 HS의 각도(92₂°)는 HO의₂ 각도(104.48°)보다 사면체 각도와 훨씬 더 많이 차이가 난다.

결합 원자 중심 원자	론 쌍	전자 영역 (입체 수)	모양.	이상적인 결합각 (예의 결합각)	예	이미지
2	0	2	선형	180°	이산화 탄소
3	0	3	삼각형의 평면	120°	BF3
2	1	3	구부러진	120° (119°)	SO2
4	0	4	정사면체	109.5°	CH4
3	1	4	피라미드의 삼각형의	109.5 (107.8°)	NH3
2	2	4	구부러진	109.5°(104.48°)[10][11]	호2
5	0	5	삼각쌍추체	90°, 120°	PCl5
4	1	5	시소	ax-ax 180°(173.1°), eq – eq 120° (101.6°), 도끼-eq 90°	SF4
3	2	5	T자형	90° (87.5°), 180° (175°)	CLF3
2	3	5	선형의	180°	XeF2
6	0	6	팔면체의	90°, 180°	SF6
5	1	6	정사각형 피라미드	90° (84.8°)	BrF5
4	2	6	정사각형 평면	90°, 180°	XeF4
7	0	7	오각쌍추체	90°, 72°, 180°	만약7
6	1	7	오각형 피라미드	72°, 90°, 144°	XeOF−5
5	2	7	오각형 평면	72°, 144°	XeF−5
8	0	8	정사각형 반마법		XeF2−8
9	0	9	삼차 삼각 프리즘		ReH2−9

3D 표현

• 선 또는 스틱 – 원자핵은 스틱 또는 라인으로 표현되지 않습니다.이러한 유형의 2D 분자 구조에서와 같이 원자는 각 정점에 암시됩니다.

• 전자 밀도 그림 – 결정학적으로 또는 개별 원자 또는 결합 대신 양자 역학을 사용하여 결정된 전자 밀도를 보여줍니다.

• 공과 막대기 – 원자핵은 구체(공)로 표현되고 결합은 막대기로 표현된다.

• 공간 채우기 모델 또는 CPK 모델(표현의 원자 착색 방식도 있음) – 분자는 원자를 나타내는 겹치는 구에 의해 표현된다.

• 카툰 – 루프, 베타 시트 및 알파 나선형이 도식으로 표현되고 원자나 결합이 명시적으로 표현되지 않는 단백질에 사용된다(예: 단백질 골격은 매끄러운 파이프로 표현된다).

한 분자에 포함된 단일 쌍의 양이 많을수록, 그 분자의 원자 사이의 각도는 작아집니다.VSEPR 이론은 단독 쌍이 서로를 밀어내고, 따라서 서로 다른 원자들을 밀어낸다고 예측한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

• 분자 기하학 및 극성 튜토리얼 분자의 3D 시각화를 통해 극성을 판별합니다.
• 크리스탈을 이용한 분자 기하학 3D 구조화.