[분자오비탈] 서로 다른 원소로 구성된 분자오비탈 해석 문제 (2021학년도 5번 풀이)

문제

1주기 원소와 2주기 원소로 구성된 화학종 XY에 대한 분자 오비탈을 주고 이를 이용해 추론을 바탕으로 푸는 문제입니다. 오비탈의 기본 이론을 바탕으로 여러 가지를 추측해보며 풀어봅시다.

 

풀이

가장 먼저 해야할 것은 시그마 결합성 오비탈과 파이 결합성 오비탈 사이의 위치 관계를 가지고 Y가 될 수 있는 후보군이 무엇인지 파악하는 것입니다. N2까지는 분자오비탈에서 시그마 2s 오비탈과 시그마 2p 오비탈 간의 반발로 인해 시그마 2p 오비탈이 파이 2p 오비탈보다 위에 위치하게 됩니다. 이 원리까지는 알 필요없고 우리는 그저 N2와 O2를 기준으로 오비탈의 위치가 다르므로, 문제에서 주어진 오비탈 구조에 해당하는 2주기 원소는 O, F, Ne뿐이므로 Y는 이 셋 중 하나임을 알 수 있습니다.

 

그래서 위처럼 세 가지 화합물의 분자오비탈을 그려보면 (문제 풀 때는 시간을 아끼는 것이 좋으므로 따로 그릴 필요없이 하나에 중복하여 그려보면서 확인해보면 됩니다.) 문제에서 제시된 조건에 해당하는 상자기성인 화합물은 O2뿐임을 알 수 있습니다. 따라서 Y는 O임을 알 수 있습니다.

 

Y는 어떤 원소인지 알았으니 그 다음 XY 오비탈에서 Y에 산소의 전자에 해당하는 스핀을 그려넣고 확인을 해보면 만약 X가 He인 경우 XY가 상자기성이라고 한 문제 조건에 어긋남을 알 수 있습니다. 따라서 X는 수소인 것도 알 수 있고 따라서 XY의 분자식이 HO임을 알 수 있습니다.

 

이제 X와 Y에 해당하는 원소가 무엇인지 알았으니 보기들이 맞는지 확인해볼 수 있습니다. 먼저 1번의 경우 ㄱ에 해당하는 비결합성 오비탈에 전자가 채워짐을 알 수 있습니다. 오비탈 2칸에 전자가 3개이기 때문에 반드시 하나에는 전자가 들어가야 합니다.

 

그 다음 2번의 경우 시그마 2p 오비탈에서 반결합성 오비탈의 마디 수가 더 많은지 물어봤는데, 항상 반결합성 오비탈의 마디 수가 항상 더 많기 때문에 맞습니다. (위의 그림에서 반결합성 오비탈의 모양이 중심쪽이 더 작고 양쪽 끝이 더 커야하는데 그 부분만 참고해주시면 됩니다. 사실 반결합성 오비탈은 결합이 이루어지지 않으므로 마디가 하나 더 생긴다의 특징만 알면 됩니다.)

 

3번 보기에서는 두 개의 분자식을 주고 둘의 홀전자 수가 같다고 하였습니다. 양이온일 때는 전자를 하나 빼주고 음이온일 때는 전자를 하나 더 그리는 식으로 변형을 줘서 확인해보면 위와 같이 둘 다 홀전자의 수가 1개임을 파악할 수 있습니다. 따라서 3번도 맞습니다.

 

4번에서는 결합차수를 물어봤는데 음이온이므로 전자를 하나 더 그려주고 결합차수를 계산해주면, 비결합성 오비탈의 전자수는 결합차수에 영향을 주지 않으므로 결과적으로 1차의 결합이 만들어지며 4번 보기 또한 맞음을 알 수 있습니다.

 

마지막으로 5번 보기의 경우 O2-는 반자기성이라고 하였는데, O2 분자오비탈에 전자 한 개를 더 그려도 여전히 홀전자가 1개 남아있음을 알 수 있습니다. 따라서 O2-는 상자기성이라 5번은 틀린 보기가 되고 따라서 정답은 5번입니다.