오비탈 모형 알아보기 | 보어 모델 | 양자 기계 모델

원자 및 분자 구조 영역에서 전자 분포를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 궤도 모델은 원자 내 전자의 공간적 분포를 설명하는 이론적 틀을 제공합니다. 이러한 모델은 원소와 화합물의 전자적 특성과 거동을 설명하는 데 중추적인 역할을 합니다. 보어 모델, 양자 역학 모델, 혼성화 모델을 포함한 각 궤도 모델의 세부 사항을 자세히 살펴보고 아원자 세계에 대한 이해에 어떻게 기여하는지 밝힐 것입니다.

1. 보어 모델

1913년 Niels Bohr가 개발한 Bohr 모델은 수소 유사 원자의 전자 구조를 설명하려는 최초의 성공적인 시도 중 하나였습니다. 그것은 전자가 태양 주위를 공전하는 행성과 유사하게 양자화된 에너지 준위에서 핵 주위를 공전한다고 제안했습니다. Bohr 모델의 주요 가정은 다음과 같습니다.

- 양자화된 에너지 수준

보어 모델에 따르면 전자는 핵 주변의 개별 에너지 준위 또는 껍질을 차지합니다. 각 에너지 수준은 특정 양의 에너지에 해당하며 전자는 에너지의 광자를 흡수하거나 방출하여 이러한 수준 사이를 이동할 수 있습니다.

- 각운동량 양자화

보어는 전자가 양자화된 각운동량을 가진 원형 궤도에서 움직인다고 제안했습니다. 전자의 각운동량은 플랑크 상수를 2π로 나눈 정수배로 양자화됩니다. 이 가정은 전자가 핵에서 정의된 거리에서만 특정 궤도를 차지할 수 있는 이유를 설명합니다.

- 복사 및 안정성

보어 모델은 또한 원자가 지속적인 에너지 손실로 인해 붕괴되지 않는 이유를 설명했습니다. 안정적인 궤도에 있는 전자는 이러한 상태에서 에너지 전이가 발생하지 않기 때문에 방사선을 방출하지 않습니다. 전자가 한 에너지 준위에서 다른 준위로 이동할 때만 방사선이 방출되거나 흡수됩니다.

보어 모델은 원자 구조와 양자화에 대한 귀중한 통찰력을 제공했지만 다중 전자 원자에 적용할 때 한계가 있었습니다. 복잡한 전자 상호 작용을 완전히 설명할 수 없어 양자 역학 모델이 ​​개발되었습니다.

2. 양자 기계 모델

파동역학 모델 또는 슈뢰딩거 모델이라고도 하는 양자역학 모델은 양자역학을 사용하여 원자 내 전자의 거동을 설명하는 보다 발전되고 포괄적인 모델입니다. 1920년대에 Erwin Schrödinger 등이 공식화했습니다.

- 파동-입자 이중성

양자 역학 모델은 전자를 입자와 파동 모두로 취급합니다. 그것은 핵 주위의 특정 위치에서 전자를 찾을 확률을 나타내는 수학적 함수인 파동 함수를 사용하여 전자의 움직임을 설명합니다. 이러한 파동 함수는 양자 시스템의 동작을 설명하는 편미분 방정식인 슈뢰딩거 방정식의 해입니다.

- 양자수 및 궤도함수

양자 역학 모델에서 각 전자는 4개의 양자수로 설명됩니다: 주양자수(n), 방위각 양자수(l), 자기 양자수(m) _l) 및 스핀 양자수(m_s). 이러한 양자수는 각각 전자의 에너지 수준, 모양, 방향 및 스핀 상태를 정의합니다.

양자 역학 모델은 전자가 발견될 가능성이 있는 공간 영역인 오비탈의 개념을 도입합니다. 각 오비탈은 파울리 배타 원리에 따라 스핀이 반대인 최대 2개의 전자를 보유할 수 있습니다.

- 전자 확률 밀도

특정 궤도의 전자를 설명하는 보어 모델과 달리 양자 역학 모델은 전자를 확률 구름으로 나타냅니다. 특정 위치에서 전자를 찾을 확률 밀도는 파동 함수의 제곱에 비례하여 다양한 모양과 크기의 전자 궤도를 발생시킵니다.

양자 역학 모델은 주기율표의 모든 원소의 전자 구조를 성공적으로 설명하고 현대 화학 및 물리학에 대한 강력한 기반을 제공합니다. 이를 통해 복잡한 원자와 분자에서 전자의 거동을 예측하고 이해할 수 있습니다.

3. 혼성화 모델

혼성화 모델은 분자에서 공유 결합을 형성하는 동안 새로운 혼성 궤도를 형성하기 위해 원자 궤도의 혼합을 설명하기 위해 원자가 결합 이론에서 사용되는 개념입니다. 이 모델은 고립된 원자의 원자 궤도를 사용하여 설명할 수 없는 분자 구조와 결합각을 설명하기 위해 도입되었습니다.

- Sp³ 하이브리드화

혼성화의 가장 일반적인 형태 중 하나는 sp³ 혼성화로, 중심 원자 주위에 4개의 전자 영역이 있는 분자에서 발생합니다(예: 메탄, CH₄). sp³ 혼성화에서는 중심 원자의 s 오비탈 1개와 p 오비탈 3개가 결합하여 원자 주위에 사면체로 배열된 4개의 동등한 sp³ 혼성 오비탈을 형성합니다.

- Sp² 하이브리드화

Sp² 혼성화는 중심 원자 주위에 3개의 전자 도메인이 있는 분자에서 발생하여 3개의 동등한 sp^{2가 형성됩니다.} 하이브리드 궤도. sp² 혼성화의 예는 에텐(C₂H₄)과 같은 분자에서 발견됩니다. 이중 결합을 형성합니다.

- Sp 하이브리드화

Sp 혼성화는 중심 원자 주위에 두 개의 전자 도메인이 있을 때 발생합니다. 이 경우 하나의 s 오비탈과 하나의 p 오비탈이 결합하여 두 개의 동등한 sp 하이브리드 오비탈을 형성합니다. 이러한 유형의 혼성화는 아세틸렌(C₂H₂)과 같은 분자에서 관찰됩니다.

- 분자 구조 및 결합각

혼성화는 분자 내 원자의 공간적 배열에 영향을 미치고 결합 각도에 영향을 줍니다. 원자의 혼성화를 이해함으로써 화합물의 반응성과 특성을 이해하는 데 필수적인 분자 구조와 결합 사이의 각도를 예측할 수 있습니다.

결론

요약하면 궤도 모델은 원자 및 분자 구조에 대한 이해를 형성하는 데 중요한 역할을 했습니다. Bohr 모델은 양자화된 에너지 레벨의 개념을 도입하여 양자 역학의 미래 발전을 위한 기반을 제공합니다. 양자 역학 모델은 전자를 입자와 파동으로 취급하고 전자 확률 구름을 설명하기 위한 수학적 프레임워크를 제공함으로써 전자 행동에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으켰습니다. 반면 혼성화 모델은 공유 결합된 화합물의 분자 구조와 결합 각도를 설명하는 데 도움이 되며 화학 결합 및 반응성에 대한 이해에 기여합니다.

총체적으로 이러한 궤도 모델은 아원자 세계에 대한 우리의 이해를 상당히 발전시켰고, 과학자들이 원자 수준에서 물질의 특성을 탐구하고 조작할 수 있게 하여 수많은 기술 발전과 과학적 발전으로 이어졌습니다.