원자간 결합

6. C의 전자구조를 그려보고 어떻게 네 개의 결합수를 갖는지 설명하여라. 고유결합이 형성된 곳은 전자의 밀도가 높은 지역이라 서로 반발한다. 공유결합으로 3차원 네트워크를 형성한 C재료의 결합각을 예측하여 보아라.

C의 전자구조를 그려보고 어떻게 네 개의 결합수를 갖는지 설명하여라.

C 탄소는 전자가 6개 들어간다.
	부각을 채울 수 있는 최대 전자수는 2(2l+1)이므로 s부각(l=0), p부각(l=1), d부각 (l=2)을 채울 수 있는 최대 전자수는 각각 2,6,10이다. 그리고 부각은 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p순으로 채워지므로 C의 전자배열은 1s22s22p2이다. p 부각의 경우 채울수 있는 최대 전자수는 6개지만 C의 경우 2개만 채워져 있으므로 네 개의 결합수를 가진다.

고유결합이 형성된 곳은 전자의 밀도가 높은 지역이라 서로 반발한다. 공유결합으로 3차원 네트워크를 형성한 C재료의 결합각을 예측하여 보아라.

공유 전자쌍(결합 전자쌍)과 비결합 전자쌍은 척력이 작용하는 음전하의 중심을 형성하므로 공간적으로 가능한 멀리 떨어져 있으려 한다. 다이아몬드와 같은 사면체 구조 내에 있는 결합각은 109.5°이다.

10. 작은 분자들이 화학반응 도중 서로 결합하여 고분자를 형성한다. 이러한 반응은 발열반응이면 Arrhenius식으로 기술할 수 있다. 일반적으로 이러한 공정의 활성화에너지는 약 80KJ/mole정도이다. 만일 온도가 10℃상승한다면, 반응속도는 얼만큼 변할까?

초기온도를 상온인 25℃로 가정하자.

k(T1)/ k(T2) = C exp (-Q / RT1 )/ C exp (-Q / RT2)

= exp{-(Q/R)*(1/T1- 1/T2)}

Q=80KJ/mole = 80000J/mole

k(35℃)/k(25℃)

= exp [ -{ (80000J/mole)/ (8.314J/mole-k) }* {(1/308.15k)-1/298.15)}

exp(1.04732) = 2.8500

14. 다음재료의 일차결합 형태를 예측하여 보아라.

O2	공유결합
NaF	이온결합
InP	금속결합
Ge	공유결합
Mg	금속결합
CaF2	이온결합
SiC	공유결합
(Ch2)n	공유결합
MgO	이온결합
CaO	이온결합

18. 왜 공유결합은 전기음전성 원자사이에서만 일어나는가?

전기음성도(Electronegativity : EN)은 원소가 전자를 끌어당기려는 상대적인 경향이다.

EN이 높은 것은 전기음전성이라 하고, EN이 낮은 것은 전기양성성이다. 공유결합은 전기음전성 원소로 구성된 화합물에서 흔히 관찰된다. 공유결합 화합물에는 전기양전성 원자가 없으므로 각 원자의 최외각을 채우는데 필요한 “과잉” 전자는 전기음전성 원자끼리 자신들의 전자를 주고 받음으로써( 원자가 전자를 당기는 힘이 커서 다른 원자에게 까지 넘겨주지는 못하고 공유하는 정도) 충당한다.

56. Silk, Wool, Hair, Cotton은 열가소성 고분자인가 열경화성 고분자인가? 모든 천연고분자는 어떨까? 그 이유를 이차결합의 특징과 결부시켜 생각해보아라.

Silk, Wool, Hair, Cotton은 열가소성 고분자인가 열경화성 고분자인가?

열경화성 고분자이다. 즉 재활용이 안 된다.

모든 천연고분자는 어떨까?

열경화성 고분자이다. 그래서 과학자들이 열가소성 고분자를 개발하여 재활용 가능한 물체를 개발한 것이다.

그 이유를 이차결합의 특징과 결부시켜 생각해보아라.

열경화성고분자의 경우 고분자 사슬은 불포화된 이중결합을 갖고 있음을 알 수 있다. 고분자 사슬 내에 존재하는 이중결합 때문에 고분자 사슬들은 일차결합으로 연결될 수 있다. 거대분자 사슬 내에 존재하는 불포화 이중결합을 통해 이루어지는 고분자 사슬간의 일차결합을 교차결합(crosslinks)이라혹 한다. 교차결합의 밀도가 낮을 경우, 즉 고분자 사슬 내에 있는 이중결합 중 매우 적은 양만이 일차결합에 참여하는 경우에는, 사슬간에 “매우 적은 ” 수의 일차결합만이 형성되므로 개개의 고분자 사슬은 여전히 자신의 본질적인 구조를 유지하고 있다. 그러나 교차결합의 밀도가 증가함에 따라 각 사슬은 원래의 구조를 읽으면서 재료의 전체구조는 일차결합으로 이루어진 3차원 네트워크 구조에 가까워진다.

=> 쉽게 설명하면 이러한 결과로 인해 이차결합의 특성을 잃고 일차결합의 특성만이 치우치게 강하여져서 고분자 사슬이 분리되었다가 결합가기 쉽지 않다는 것이다.

=>이 이유는 수소결합의 경우 이차결합의 힘이 가장 강한 경우임에도 불구하고 일차결합에 비해서는 휠씬 약하다. 이러한 이유로 일차결합에 비해 훨씬 약한 이차결합으로 살짝(상대적으로) 결합되었다가 열가소성의 경우처럼 재활용을 야기하는 형상이 발생하지 않기 때문이다.

57. 책에서 설명하였듯이, 이중 결합이 깨지면서 단일결합이 형성되면 고분자가 형성되는데, 이 경우 많은 열이 발생한다. 이러한 반응은 열역학적으로 유리하다고 한다. 한꺼번에 많은 재료에서 이러한 공정이 일어나면 무슨 일이 발생할까?

열역학적으로 유리하며 많은 열을 발생한다는 사실로부터 유추해보았을 때, 많은 양이 갑작스럽게 많은 열을 내는 현상을 “폭발”이라고 정의할 수 있을 것이다.

59. 모든 플라스틱(고분자) 재료는 재활용이 가능한가?

고분자는 크게 열가소성 고분자와 열경화성 고분자로 나뉘는데 이 중 열가소성 고분자만이 열을 가했을 때 다시 소성이 가능하여 재활이 가능해진다.