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화학에서 비편재화된 전자는 원자, 분자 또는 이온에 속하는 전자 또는 전자쌍으로 화학적으로 결합된 단일 원자 또는 원자쌍 주위를 회전하는 데 국한되지 않지만 분자 또는 고체를 통해 어느 정도 자유롭게 움직일 수 있습니다. 즉, 특정 원자 또는 공유 결합에 위치하지 않는 전자를 의미합니다.
비편재화된 전자는 결합 전자이거나 비결합 전자일 수 있습니다. 또한 원자 오비탈 과 분자 오비탈 모두에 존재할 수 있습니다 . 비편재화를 일으키는 전자 이동성의 핵심은 인접한 원자 사이의 서로 다른 유사한 오비탈의 조합입니다. 이것은 이중 및 삼중 공유 결합 에서 파이 결합이 형성되는 동안 p 오비탈의 측면 중첩에서 발생 하거나 금속 결합에서 금속 원자의 원자 오비탈 조합에서 발생할 수 있습니다.
공유 결합에서 비편재화된 전자
원자가 결합 이론에 따르면 공유 결합은 결합된 원자의 원자가 전자의 원자 오비탈이 중첩되어 형성됩니다. 두 원자가 한 쌍 이상의 전자를 공유하여 서로 공유 결합될 때 첫 번째 전자 쌍은 두 원자를 연결하는 축을 따라 배향된 두 원자 오비탈의 전면 중첩에 의해 시그마 결합을 형성합니다.
그러나 각각 이중 결합과 삼중 결합에서 공유 되는 두 번째 및 세 번째 전자쌍은 인접한 두 원자의 p 및 pz 원자 오비탈 의 측면 중첩에 의해 그렇게 하여 파이 결합을 형성합니다. 이러한 오비탈은 시그마 결합의 경우처럼 이 축에 직접적으로 연결되지 않고 원자를 연결하는 축의 위와 아래에 위치합니다.
원자 사슬(공액 결합이라고 함)을 통해 일렬로 하나 이상의 다중 결합이 있는 경우 파이 결합 중 하나의 일부를 형성하는 p 오비탈도 다음 파이 결합을 형성하는 p 오비탈과 중첩되어 파이 결합을 형성합니다. 결합된 모든 원자를 포함하는 단일 파이 결합. 이러한 오비탈에서 발견되는 결합 전자(파이 전자라고 함)는 공액 결합 전체에서 자유롭게 이동할 수 있으므로 비편재화되었다고 합니다.
비편재화 및 공명
전자의 비편재화는 화합물의 다른 루이스 구조를 그려서 명확하게 입증됩니다. 많은 경우에, 동일한 화합물이 하나 이상의 루이스 구조로 표현될 수 있습니다. 이러한 각 구조는 파이 전자 또는 비 결합 전자 쌍의 구조를 통한 이동을 통해 다른 구조로 변환 될 수 있습니다. 하나의 루이스 구조에서 다른 구조로 변환하는 이 과정을 공명이라고 하며 전자의 비편재화를 그래픽 방식으로 볼 수 있습니다.
많은 경우 실험적 증거에 따르면 실제 구조는 이러한 개별 공명 구조가 아니라 공명 하이브리드라고 하는 모든 공명 구조의 조합입니다. 공명 하이브리드의 존재에 대한 실험적 증거는 동시에 분자에서 파이 전자의 비편재화에 대한 실험적 증거입니다.
비편재화된 전자의 표현
비편재화된 전자가 있는 분자를 그래픽으로 나타낼 때 공명 구조를 통해 그렇게 합니다. 위에서 언급한 바와 같이 이 구조는 모든 시그마 결합이 변경되지 않은 개별 공명 구조의 조합입니다. 그러나 다른 원자 사이의 파이 결합은 때때로 존재하고 때로는 존재하지 않으므로 평균적으로 이중 공유 결합과 단일 공유 결합 사이의 어딘가로 나타낼 수 있습니다 .
최초의 가정된 공명 구조는 Kekulé가 제안한 벤젠의 구조였습니다. 그 안에서 파이 전자는 3개의 파이 결합에 위치하지 않고 분자 주위를 자유롭게 회전하고 있었습니다.
금속 결합에서 비편재화된 전자
금속은 주기율표에서 가장 큰 원소 그룹을 구성합니다. 이들은 높은 전기 전도성을 갖는 것이 특징이며, 이는 금속을 구성하는 원자의 전자가 매우 자유롭게 움직일 수 있음을 보여줍니다. 즉, 비편재화됩니다. 이때 전자의 비편재화는 금속 결합의 특성 때문이다. 금속 결합과 그 속성을 설명하는 두 가지 이론이 있습니다. 전자 가스 이론(전자 구름 또는 전자 바다 이론이라고도 함)과 밴드 이론입니다.
전자 가스 이론
전자 기체 이론에서 금속 고체는 원자가 전자를 잃은 양이온에 의해 형성된 결정 격자로 간주되며, 결정 격자의 간극에서 마치 전자에 의해 형성된 기체(기체 전자)가 확산되는 것처럼 자유롭게 흐릅니다. 다공성 매체를 통해.
이 이론에서 각 금속 원자는 원자가 전자 또는 전자를 잃어 더 이상 고체의 단일 위치에 위치하지 않습니다. 결과적으로 이러한 전자는 비편재화되었다고 합니다.
대역 이론
밴드 이론은 분자 궤도 이론을 금속 결합에 특별히 적용한 것입니다. 이 이론에서 금속은 함께 결합된 N 원자에 의해 형성된 3차원 분자로 간주됩니다. 금속 결합은 이 금속 거대분자를 형성하는 각 원자의 원자 오비탈의 중첩으로 설명되며, 따라서 N개의 분자 오비탈 세트를 형성합니다.
이러한 분자 오비탈은 결합, 반결합 및 비결합일 수 있습니다. 형성되는 많은 수의 분자 오비탈은 결국 그들 사이에 거의 연속적인 에너지 준위를 갖는 오비탈 밴드를 생성합니다.
빈 포드 오비탈의 추가 조합은 또한 빈 결합 및 반 결합 오비탈 밴드를 생성합니다. 금속의 경우, 이들은 고체를 구성하는 원자의 원자가 전자가 차지하는 분자 오비탈과 겹칩니다. 이러한 중첩은 원자가 전자가 전체 고체에 걸쳐 있는 빈 오비탈로 쉽게 승격되도록 하여 고체 자체를 통해 자유롭게 이동할 수 있게 하여 금속의 전도도를 설명합니다.
비편재화된 전자의 예
흑연의 파이 전자
흑연은 함께 결합된 탄소 원자 층으로 구성된 분자 고체 로 sp 2 혼성 원자의 육각형 격자를 형성합니다 . 이러한 각 껍질에서 각 탄소 원자의 pz 궤도 는 세 개의 이웃 원자의 pz 궤도 와 겹쳐서 껍질의 전체 표면에 걸쳐 파이 전자 시스템을 형성합니다. Layer-on-layer 스태킹은 층의 평면을 따라 흑연에 높은 전도도를 제공하는 광범위한 비편재화된 전자 시스템을 생성합니다.
탄소의 다른 일반적인 동소체인 다이아몬드는 그 반대입니다. 이것은 모든 탄소 원자가 전자가 완벽하게 위치하는 시그마 결합을 형성하는 sp 3 혼성화 를 갖는 탄소 원자의 3차원 네트워크로 구성되어 있어 다이아몬드를 알려진 최고의 전기 절연체 중 하나로 만듭니다.
나트륨의 3s 전자
나트륨은 3s 오비탈에 단일 원자가 전자를 갖는 알칼리 금속입니다. 나트륨 원자 사이의 결합을 전자 가스 이론의 관점에서 보든 밴드 이론의 관점에서 보든 각 나트륨 원자의 3s 원자가 전자는 금속의 길이를 따라 완전히 자유롭게 움직일 수 있습니다. 비편재화된 전자.
나프탈렌의 10파이 전자
벤젠 및 기타 유기 화합물 과 마찬가지로 나프탈렌의 파이 전자는 비편재화되어 10개 탄소 분자의 표면을 따라 자유롭게 이동합니다.
참조
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