Chapter 01

구조와 결합

알려진 화합물 수천만 종 가운데 대부분이 탄소 화합물이다. 탄소는 네 개의 결합을 만들고, 자기들끼리 단일·이중·삼중 결합으로 사슬과 고리를 끝없이 이어 가며, 수소·산소·질소·할로젠과도 튼튼한 공유 결합을 맺는다. 유기화학은 이 탄소 골격의 모양과 그 위에 붙은 작용기가 성질과 반응을 어떻게 정하는지 다루는 학문이다. 반도체 공장에서도 감광막 수지와 용매, 현상액, 세정액 첨가제, 박막 전구체, 몰딩 수지가 모두 유기 분자다. 이 장은 일반화학의 루이스 구조·VSEPR·분자 간 힘(→ 일반화학 · 화학 결합, 분자 구조, 액체와 고체)을 탄소 화합물의 언어로 다시 정리하고, 이 책 전체에서 쓸 골격 구조식을 읽고 쓰는 법을 확실히 익힌다. 아래 그림은 감광막 용매 PGMEA다. 왼쪽 3D 모형과 오른쪽 골격 구조식은 같은 분자이며, 원자를 누르면 양쪽에서 함께 강조된다.

원자를 누르거나 3D 모형을 끌어 돌려 보세요

원자가 전자 수로 루이스 구조를 그리고, 형식 전하 $FC = V - N - B/2$를 계산해 가장 그럴듯한 구조를 고른다.
s·p 오비탈의 섞임으로 sp³·sp²·sp 혼성 오비탈을 만들고, s 성질의 비율에서 결합각($\cos\theta = -\alpha/(1-\alpha)$)을 계산한다.
σ 결합과 π 결합을 오비탈 겹침으로 구별하고, 결합 차수·혼성에 따른 결합 길이와 결합 해리 에너지의 경향을 설명한다.
전기음성도 차이로 결합 극성을 정하고, 결합 쌍극자의 벡터 합으로 분자의 쌍극자 모멘트를 계산한다.
골격 구조식의 꼭짓점 탄소와 숨은 수소를 세어 분자식을 쓰고, 주요 작용기를 알아본다.
분산력·쌍극자 힘·수소 결합으로 끓는점과 용해도를 예측하고, 세정 용매의 극성과 웨이퍼 표면(Si–H, Si–OH)의 젖음성을 같은 원리로 설명한다.

원자 오비탈과 루이스 구조

탄소 원자($Z = 6$)의 전자 배치는 $1s^2\,2s^2\,2p^2$이다. 화학 결합에 쓰이는 것은 바깥 껍질의 원자가 전자(valence electron) 네 개(2s² 2p²)다. 1s 전자는 핵에 단단히 붙어 결합에 끼지 않는다. 2s 오비탈은 공 모양이고, 2p 오비탈 세 개($p_x, p_y, p_z$)는 서로 수직인 축을 따라 늘어선 아령 모양이며 두 로브의 파동함수 부호가 반대다(→ 양자역학 · 수소 원자). 이 부호가 다음 절의 혼성과 4절의 결합 겹침에서 결정적인 역할을 한다.

2s 오비탈은 공 모양이고 2p 오비탈은 마디면을 사이에 두고 부호가 반대인 두 로브로 이루어진다. 탄소의 원자가 전자는 2s 두 개와 2p 두 개다.

홀전자가 두 개뿐이니 바닥 상태 그대로라면 탄소는 결합을 두 개만 만들어야 할 것 같다. 실제 유기 분자에서 탄소는 거의 언제나 결합을 네 개 만든다(메테인 CH₄). 이 모순은 다음 절의 혼성 오비탈이 풀어 준다. 그 전에 전자를 점으로 세는 루이스 구조(Lewis structure)로 결합의 개수부터 정리하자. 원자는 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍을 합쳐 바깥 껍질을 전자 8개(수소는 2개)로 채우려 한다. 이것이 팔전자 규칙(octet rule)이다. 유기 분자에 흔한 원자는 원자가 전자 수에 따라 결합 수와 비공유 전자쌍 수가 정해진다: 탄소는 결합 4·비공유쌍 0, 질소 3·1, 산소 2·2, 할로젠 1·3. 아래 미니 실험에서 확인해 보자.

원자

형식 전하

MINI LAB원자를 고르면 원자가 전자의 오비탈 배치와, 팔전자를 채우는 결합 수·비공유 전자쌍 수가 나온다. 형식 전하를 +1이나 −1로 바꾸면 같은 원자의 결합 수가 어떻게 달라지는지(NH₄⁺, H₃O⁺, CH₃⁻, CH₃⁺) 보자.

형식 전하

나이트로메테인 CH₃NO₂나 암모늄 이온 NH₄⁺처럼 어떤 원자가 "보통"과 다른 개수의 결합을 가지면, 그 원자에 형식 전하(formal charge)를 붙인다. 결합 전자를 두 원자가 똑같이 나눠 갖는다고 가정하고, 원자가 원래 가진 원자가 전자 수와 비교한 값이다.

$$FC = V - N - \frac{B}{2}$$

$V$: 중성 원자의 원자가 전자 수, $N$: 그 원자의 비공유 전자 수(점의 개수), $B$: 그 원자가 참여한 결합 전자 수(결합선 하나 = 2). 분자 안 형식 전하의 합은 분자 전체의 전하와 같다.

원자가 전자 5개인 원자가 비공유 전자 0개를 갖고 결합선 4개로 이웃과 이어져 있으면, 형식 전하는 이고 바깥 껍질 전자는 개다.

형식 전하는 실제 전하 분포가 아니라 장부 정리용 숫자다. 그래도 여러 루이스 구조 가운데 어느 것이 그럴듯한지 고르는 기준이 된다. ① 모든 2주기 원자가 팔전자를 채운 구조, ② 형식 전하의 크기 합이 가장 작은 구조, ③ 음의 형식 전하가 전기음성도가 큰 원자에 놓인 구조가 낫다. 루이스 구조를 그리는 순서는 다음과 같다: 원자가 전자 총수를 센다(음이온은 더하고 양이온은 뺀다) → 골격 원자를 단일 결합으로 잇는다 → 남은 전자를 바깥 원자부터 비공유쌍으로 채운다 → 팔전자가 모자란 원자가 있으면 이웃의 비공유쌍을 다중 결합으로 바꾼다 → 형식 전하를 매긴다. 아래 퍼즐에서 직접 해 보자.

SIMULATOR

루이스 구조 퍼즐: 결합과 비공유쌍 놓기

분자

표시 형식 전하 보이기

쓸 수 있는 전자—

놓은 전자—

형식 전하 크기 합—

점수0

결합(두 원자 사이)을 누르면 단일 → 이중 → 삼중으로, 원자를 누르면 비공유 전자쌍이 0 → 1 → 2 → 3개로 바뀐다. 팔전자를 못 채운 원자는 빨간 테두리로 표시된다. 해볼 것: ① HCN과 CO₂를 형식 전하 0으로 완성한다. ② 나이트로메테인은 어떻게 해도 형식 전하가 생긴다. 전하 크기 합이 가장 작은 구조는? ③ 아세트산 음이온의 −1 전하를 두 산소 중 어디에 두어도 정답인 이유는(→ 2장 공명)?

나이트로메테인 CH₃NO₂의 루이스 구조를 그리고 각 원자의 형식 전하를 구하라. 탄소는 질소에, 두 산소는 질소에 붙어 있다.

풀이 보기

전략 원자가 전자를 세고 골격을 단일 결합으로 이은 뒤, 팔전자가 모자라면 다중 결합을 만든다. 마지막에 $FC = V - N - B/2$.

풀이 전자 수: C 4 + H 3×1 + N 5 + O 2×6 = 24. 단일 결합 6개(C–H 3, C–N, N–O 2)에 12개를 쓰고, 남은 12개를 두 산소에 비공유쌍 3개씩 주면 질소는 결합 3개(6 e)뿐이라 팔전자가 안 된다. 한 산소의 비공유쌍 하나를 N=O 이중 결합으로 바꾸면 모든 원자가 팔전자를 채운다. 형식 전하: N은 $5 - 0 - 8/2 = +1$, 이중 결합 O는 $6 - 4 - 4/2 = 0$, 단일 결합 O는 $6 - 6 - 2/2 = -1$, C는 $4 - 0 - 8/2 = 0$.

N +1, 단일 결합 O −1, 나머지 0 (합 0 = 분자 전하)

검토 형식 전하를 없애려고 N에 결합을 다섯 개 주면 질소가 전자 10개를 갖게 되어 2주기 원자로는 불가능하다. 두 N–O가 실제로는 길이가 같다는 사실(122 pm)은 두 구조의 공명으로 설명한다(2장).

혼성 오비탈과 결합각

메테인의 네 C–H 결합은 길이도 세기도 똑같고, 서로 109.5°를 이루는 정사면체 꼭짓점을 향한다(→ 일반화학 · VSEPR). 서로 수직인 2p 오비탈 세 개와 공 모양 2s 하나로는 이 모양이 나오지 않는다. 폴링은 한 원자의 2s와 2p 오비탈을 섞어 같은 모양의 새 오비탈을 만들면 된다고 보았다. 이것이 혼성 오비탈(hybrid orbital)이다(→ 현대물리 · 혼성). 오비탈 네 개를 섞으면 네 개가 나온다. 개수는 보존된다.

바닥 상태 탄소는 홀전자가 2p에 두 개뿐이다.
2s 전자 하나를 빈 2p로 올리면 홀전자가 네 개가 된다. 승격 비용은 결합 두 개를 더 만들어 얻는 에너지로 충분히 갚는다.
2s 하나와 2p 셋을 섞어 같은 모양의 sp³ 오비탈 네 개를 만든다. 각각은 s 성질 1/4, p 성질 3/4이고 한쪽으로 크게 치우친 로브를 가진다.
네 sp³ 오비탈은 서로 최대한 멀리, 정사면체 꼭짓점을 향한다. 각각 H 1s와 겹쳐 메테인의 σ 결합 네 개를 만든다.
2s와 2p 두 개만 섞으면 sp² 셋(평면 120°)과 섞이지 않은 p 하나가, 2p 하나만 섞으면 sp 둘(직선 180°)과 p 둘이 남는다. 남은 p 오비탈이 π 결합을 만든다(3절).

탄소의 혼성: 승격과 섞임으로 결합 수와 결합각이 동시에 설명된다.

혼성의 종류는 그 원자에 몇 개의 "방향"(결합한 원자 수 + 비공유 전자쌍 수, 즉 입체수)이 필요한지로 정해진다. 입체수 4 → sp³(109.5°), 3 → sp²(120°), 2 → sp(180°). 다중 결합은 한 방향으로 친다. 그래서 단일 결합만 가진 탄소는 sp³, 이중 결합 하나를 가진 탄소는 sp², 삼중 결합이나 누적 이중 결합(C=C=C, O=C=O)을 가진 탄소는 sp다. 비공유쌍도 방향 하나를 차지하므로 NH₃의 N과 H₂O의 O도 대략 sp³이지만, 비공유쌍이 결합쌍보다 넓게 퍼져 결합각이 107.3°, 104.5°로 좁아진다.

s 성질과 결합각

혼성 오비탈 $h = \sqrt{\alpha}\,\psi_{2s} + \sqrt{1-\alpha}\,\psi_{2p}$에서 $\alpha$를 s 성질(s character)이라 한다. 같은 원자의 두 혼성 오비탈은 서로 직교해야 하므로, s 성질이 $\alpha$인 두 오비탈 사이의 각은 다음과 같이 정해진다(쿨슨의 정리).

$$\cos\theta = -\frac{\alpha}{1-\alpha}$$

sp³: $\alpha = 1/4$ → $\cos\theta = -1/3$, $\theta = 109.47°$. sp²: $\alpha = 1/3$ → $-1/2$, 120°. sp: $\alpha = 1/2$ → $-1$, 180°. 거꾸로 실측 결합각에서 그 결합을 만드는 오비탈의 s 성질을 추정할 수 있다.

두 결합 오비탈의 s 성질이 25이면 둘 사이의 각은 이다(spⁿ이라면 n = ).

s 오비탈은 p 오비탈보다 핵에 가깝고 에너지가 낮다. 그래서 s 성질이 클수록 혼성 오비탈은 짧고 단단하며 전자를 핵 가까이 붙든다. 결과로 C–H 결합은 sp³ → sp² → sp로 갈수록 짧아지고(109.4 → 108.7 → 106.1 pm) 강해지며(423 → 464 → 558 kJ/mol), 그 H는 더 산성이 된다(pKa 50 → 44 → 25). 이 세 가지 경향을 아래 시뮬레이터로 확인하자.

에테인, 에틸렌, 아세틸렌의 C–H 결합 가운데 가장 짧고 가장 센 것은?

s 성질이 50 %인 sp 오비탈이 핵에 가장 가깝다. 시뮬레이터에서 s 성질을 25 %에서 50 %로 끌어 오비탈 로브가 짧고 뭉툭해지는 것과 오른쪽 표의 값을 보자.

SIMULATOR

혼성 오비탈 만들기: s와 p를 섞는 비율

s 성질 α

분자

결합각 θ—

혼성—

C–H pm · kJ/mol · pKa—

점수0

왼쪽 그래프의 점을 끌거나 슬라이더로 s 성질을 바꾸면 혼성 오비탈의 모양(색은 파동함수의 부호)과 두 오비탈 사이의 각이 함께 바뀐다. 오른쪽 3D 모형은 끌어서 돌린다. 해볼 것: ① α = 0이면 순수한 p 오비탈(앞뒤 대칭)이고 α가 커질수록 앞 로브가 커진다. ② H₂O(104.5°)의 O–H 결합 오비탈은 s 성질이 약 20 %다. 비공유쌍 오비탈에 s 성질이 더 몰린다. ③ ‘목표 각도 게임’을 눌러 주어진 결합각을 0.5° 안으로 맞혀 보자.

물의 H–O–H 결합각은 104.5°다. O–H 결합을 만드는 산소 혼성 오비탈의 s 성질은 얼마인가? 산소의 두 비공유 전자쌍 오비탈의 s 성질은 평균 얼마인가?

풀이 보기

전략 쿨슨 식을 $\alpha$에 대해 푼다: $\alpha = -\cos\theta/(1-\cos\theta)$. 산소의 2s 하나가 네 오비탈에 나뉘므로 s 성질의 합은 1이다.

풀이 $\cos 104.5° = -0.2504$이므로 $\alpha = 0.2504/1.2504 = 0.200$. 결합 오비탈 두 개가 s 성질 0.400을 쓰고, 나머지 0.600을 비공유쌍 두 개가 나누면 각각 0.300(30 %)이다.

결합 오비탈 s 성질 ≈ 20 %, 비공유쌍 오비탈 ≈ 30 %

검토 109.5°보다 좁은 각은 결합 오비탈의 p 성질이 늘었다는 뜻이다. 비공유쌍은 핵 하나에만 붙어 있으므로 에너지가 낮은 s 성질을 더 가져가는 편이 유리하다. sp³라는 이름표는 근사이고, 실제 혼성은 연속적으로 바뀐다.

아크롤레인 CH₂=CH–CHO와 아세토나이트릴 CH₃–C≡N의 탄소·산소·질소 원자 각각의 혼성과, 그 원자 주위의 결합각을 말하라.

풀이 보기

전략 각 원자의 입체수(결합한 원자 수 + 비공유쌍 수)를 센다. 다중 결합은 한 방향.

풀이 아크롤레인: C1(=C, H 2개) 입체수 3 → sp², C2(=C, –C, H) 3 → sp², C3(=O, –C, H) 3 → sp², O(=C, 비공유쌍 2) 3 → sp². 네 원자 모두 sp²이고 주위 각은 약 120°라서 분자 전체가 평면이다. 아세토나이트릴: CH₃ 탄소 입체수 4 → sp³(109.5°), 나이트릴 탄소(≡N, –C) 2 → sp(180°), N(≡C, 비공유쌍 1) 2 → sp.

아크롤레인: C1·C2·C3·O 모두 sp²(≈120°) / 아세토나이트릴: CH₃ sp³(109.5°), C≡N의 C와 N sp(180°)

검토 아크롤레인처럼 sp² 원자가 연달아 이어지면 p 오비탈이 모두 나란해 π 전자가 분자 전체에 퍼진다. 이것이 13장의 공액이다.

σ 결합과 π 결합, 결합 길이와 세기

두 오비탈이 겹치는 방식에 따라 결합은 두 종류로 나뉜다. 두 핵을 잇는 축 위에서 오비탈이 머리를 맞대고 겹치면 σ 결합(sigma bond)이다. 전자 밀도가 결합 축 둘레에 원기둥처럼 대칭으로 모이므로 결합 축을 중심으로 돌려도 겹침이 변하지 않는다. 이웃한 두 원자의 나란한 p 오비탈이 옆으로 겹치면 π 결합(pi bond)이다. 전자 밀도가 결합 축의 위아래 두 덩어리로 나뉘고 축 위에는 마디면이 있다. 단일 결합은 σ 하나, 이중 결합은 σ 하나 + π 하나, 삼중 결합은 σ 하나 + π 둘이다.

σ 결합은 결합 축 위에서 정면으로, π 결합은 축 위아래에서 옆으로 겹친다. π 결합은 겹침이 작아 σ보다 약하고, 축을 돌리면 끊어진다.

π 결합은 겹침이 σ보다 작아서 약하다. 무엇보다 두 p 오비탈이 나란해야 겹치므로, 이중 결합을 축 둘레로 비틀면 π 결합이 끊어진다. 에테인의 C–C 단일 결합은 상온에서 1초에 수십억 번 돌지만(장벽 12 kJ/mol, 3장), 에틸렌의 C=C는 270 kJ/mol 가까운 장벽 때문에 돌지 못한다. 그래서 이중 결합에는 시스·트랜스 이성질체가 존재한다(4장·8장).

SIMULATOR

π 결합 비틀기

비틀림각 φ 에테인 C–C 회전과 비교 p 오비탈 보이기

p–p 겹침 ∝ cos φ—

π 결합 손실(모형)—

결합—

왼쪽 분자를 좌우로 끌면 오른쪽 CH₂가 C=C 축 둘레로 돈다. 에너지 모형은 $E = E_\pi\sin^2\varphi$, $E_\pi \approx 270$ kJ/mol. 해볼 것: ① φ = 90°에서 두 p 오비탈이 수직이 되어 겹침이 0이다. π 결합이 완전히 끊긴 상태다. ② φ = 180°에서 겹침이 다시 최대(부호만 반대)가 되어 π 결합이 되살아난다. 시스·트랜스가 바뀌는 길이다. ③ 에테인 비교를 켜면 단일 결합 회전 장벽(12 kJ/mol)이 바닥에 붙어 보인다.

결합 길이와 결합 세기

같은 원자 쌍이라면 결합 차수가 클수록, 또 결합에 쓰인 혼성 오비탈의 s 성질이 클수록 결합은 짧고 강하다. 결합 길이(bond length)는 두 핵 사이의 평균 거리이고, 결합 해리 에너지(bond dissociation energy, BDE)는 기체 상태에서 결합을 균일하게(전자를 하나씩 나누어) 끊는 데 드는 엔탈피다(→ 일반화학 · 결합 엔탈피). 아래 표의 C–H 값과 C–C 단일 결합 값은 이 책 전체에서 쓰는 결합 해리 에너지 표(부록 A)와 같다.

결합	예	탄소 혼성	길이 (pm)	BDE (kJ/mol)
C–C	에테인	sp³–sp³	154	377
C=C	에틸렌	sp²–sp²	134	728
C≡C	아세틸렌	sp–sp	120	965
C–H	에테인	sp³	109.4	423
C–H	에틸렌	sp²	108.7	464
C–H	아세틸렌	sp	106.1	558
C–O / C=O	메탄올 / 폼알데하이드	sp³ / sp²	143 / 121	385 / 약 750
C–N / C≡N	메틸아민 / HCN	sp³ / sp	147 / 116	약 355 / 약 890

세로축

점을 누르면 값이 나온다

MINI LABC–C 결합(차수 1·2·3)과 C–H 결합(s 성질 25·33·50 %)을 같은 그림에 놓았다. 결합 차수가 하나 늘 때 길이는 약 17 pm씩 줄고, 세기는 늘지만 두 배·세 배가 되지는 않는다. π 결합이 σ보다 약하다는 증거다.

C=C의 BDE 728 kJ/mol과 C–C의 377 kJ/mol을 써서 π 결합 하나의 세기를 어림하라. 이 값이 에틸렌 C=C의 회전 장벽(약 270 kJ/mol)보다 큰 이유는?

풀이 보기

전략 이중 결합 = σ + π라고 보고 단일 결합(σ만)의 값을 뺀다.

풀이 $E_\pi \approx 728 - 377 = 351$ kJ/mol. 그러나 C=C의 σ 결합은 sp²–sp² 겹침이고 길이도 134 pm로 짧아서, 에테인의 sp³–sp³ σ(154 pm)보다 강하다. 뺄셈에 쓴 σ 값이 너무 작으니 351은 π 세기를 과대평가한다. 회전 장벽은 σ를 그대로 두고 π만 끊는 과정이므로 π 세기를 더 직접 잰다.

어림값 ≈ 351 kJ/mol (σ를 작게 잡아 과대평가), 실제 π 세기 ≈ 270 kJ/mol

검토 어느 쪽이든 π 결합(≈ 270)은 σ 결합(≈ 380 이상)보다 약하다. 알켄의 반응(8장)이 π 결합 쪽에서 시작되는 이유다.

결합 극성과 쌍극자 모멘트

두 원자가 전자쌍을 공유해도 똑같이 나눠 갖지는 않는다. 결합 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는 정도가 전기음성도(electronegativity)이고, 폴링 척도로 H 2.20, C 2.55, N 3.04, O 3.44, F 3.98, Cl 3.16, Br 2.96, Si 1.90이다. 전기음성도 차이가 0.5 이하이면 거의 무극성(C–H 0.35), 0.5–2 정도이면 극성 공유 결합(polar covalent bond)(C–O 0.89, O–H 1.24), 그보다 크면 이온 결합에 가깝다. 극성 결합의 전기음성도가 큰 쪽 끝에는 부분 음전하 δ−, 작은 쪽에는 δ+가 생긴다. 탄소는 수소와 비슷하고 N·O·할로젠보다 작아서, 작용기에 붙은 탄소는 대개 δ+다. 이 δ+ 탄소가 5장 이후 친핵체가 공격하는 자리다.

결합의 극성은 쌍극자 모멘트(dipole moment) $\mu$로 잰다. 크기 $Q$인 양·음전하가 거리 $d$만큼 떨어져 있으면 $\mu = Qd$이고, 단위는 디바이(1 D = $3.336\times10^{-30}$ C·m)를 쓴다. 전자 하나($e$)가 100 pm 떨어지면 4.80 D다. 화학에서는 쌍극자를 δ+ 쪽에 십자 꼬리를 단 화살표(⟼)로 δ− 쪽을 향해 그린다.

결합 길이 127인 이원자 분자의 실측 쌍극자 모멘트가 1.08이면, 두 끝의 부분 전하는 $\delta = \mu/(ed)$ = (전자 전하 단위), 즉 이온성이다.

분자 전체의 쌍극자 모멘트는 결합 쌍극자의 벡터 합이다. 그래서 극성 결합을 가져도 대칭 때문에 쌍극자가 상쇄되면 무극성 분자가 된다(CO₂, CCl₄). 분자의 모양(2절)이 극성을 결정하는 셈이다.

CO₂의 C=O 결합은 둘 다 강한 극성 결합이다. CO₂ 분자의 쌍극자 모멘트는?

CO₂는 직선형(sp 탄소)이라 크기가 같은 두 결합 쌍극자가 정반대 방향을 향해 상쇄된다. 시뮬레이터에서 CO₂의 한 산소를 끌어 직선을 굽히면 쌍극자가 생기는 것을 보자.

SIMULATOR

결합 쌍극자의 벡터 합

분자

결합 쌍극자 보이기

분자 쌍극자 μ—

결합각—

실측값—

점수0

바깥 원자(흰 손잡이)를 끌어 결합 방향을 바꾼다. 결합 쌍극자 모형값(D): O–H 1.51, C=O 2.0, C≡N 2.7, B–F 1.6, C–H 0.3(H 쪽 δ+). 해볼 것: ① H₂O의 결합각을 180°로 펴면 μ = 0, 104.5°에서 실측 1.85 D가 나온다. ② BF₃(평면 삼각형)는 극성 결합 셋이 120°로 놓여 상쇄된다. F 하나를 옮겨 대칭을 깨면 쌍극자가 생긴다. ③ ‘목표 μ 게임’: 주어진 쌍극자 모멘트를 ±0.05 D 안으로 맞힌다.

O–H 결합 쌍극자를 1.51 D, H–O–H 결합각을 104.5°라 하고 물 분자의 쌍극자 모멘트를 구하라.

풀이 보기

전략 두 결합 쌍극자는 크기가 같고 이등분선에 대해 대칭이다. 이등분선 성분만 남고 수직 성분은 상쇄된다.

풀이 각 결합은 이등분선과 $104.5°/2 = 52.25°$를 이루므로 $\mu = 2 \times 1.51\cos 52.25° = 2 \times 1.51 \times 0.612 = 1.85$ D.

μ(H₂O) ≈ 1.85 D (산소 쪽이 δ−)

검토 실측값 1.85 D와 맞는다(결합 쌍극자 값 자체를 이 실측에 맞춰 정한 것이기도 하다). 비공유쌍이 만드는 쌍극자는 따로 더하지 않고 결합 쌍극자 값 안에 묻어 둔 근사다.

분자	μ (D)	극성의 원인
물	1.85	굽은 O–H 두 개
메탄올	1.70	O–H, C–O
아세톤	2.88	C=O
아세토나이트릴	3.92	C≡N
클로로메테인	1.87	C–Cl
다이클로로메테인	1.60	C–Cl 두 개, 사면체
사염화 탄소	0	사면체 대칭으로 상쇄
이산화 탄소	0	직선 대칭으로 상쇄
헥세인	≈ 0	C–H, C–C만

골격 구조식 읽고 쓰기

유기 분자의 원자를 하나하나 다 쓰면 그림이 금세 복잡해진다. 화학자는 대신 골격 구조식(skeletal structure, bond-line formula)을 쓴다. 규칙은 네 가지뿐이다.

선의 끝과 꺾이는 점(꼭짓점)에는 모두 탄소가 있다. 탄소 글자 C는 쓰지 않는다.
탄소에 붙은 수소는 쓰지 않는다. 각 탄소는 결합이 4개가 되도록 필요한 만큼 H를 갖는다고 읽는다(H 수 = 4 − 그린 결합 수 − 형식 전하의 영향).
탄소와 수소가 아닌 원자(헤테로 원자: O, N, S, 할로젠, Si 등)는 글자로 쓰고, 그 원자에 붙은 H도 함께 쓴다(OH, NH₂).
단일 결합은 선 하나, 이중 결합은 두 줄, 삼중 결합은 세 줄. sp³ 사슬은 109.5°를 흉내 내 지그재그로, sp 탄소(삼중 결합)는 일직선으로 그린다.

2-뷰탄온(메틸 에틸 케톤, MEK)의 루이스 구조. 원자 13개와 결합 12개(C=O 하나 포함)를 모두 그렸다.
각 탄소에 붙은 수소를 CH₃, CH₂처럼 묶는다. 결합 C–H를 선으로 그리지 않아도 정보는 그대로다.
탄소 글자와 C–H를 모두 지운다. 꼭짓점 네 개가 탄소, 끝의 =O만 글자로 남는다. 왼쪽 끝 꼭짓점은 결합 1개 → H 3개, 가운데 꼭짓점은 결합 2개 → H 2개, C=O 탄소는 결합 4개(이중 결합 2 + 단일 2) → H 0개다.

같은 분자를 세 방식으로. 골격 구조식은 탄소 골격의 모양과 작용기만 보여 주고 나머지는 규칙으로 복원한다.

읽는 연습의 핵심은 꼭짓점마다 숨은 H 수를 세는 것이다. 꼭짓점에서 뻗은 선의 수(이중 결합은 2로 센다)를 4에서 빼면 된다. 아래 미니 실험에서 탄소와 수소를 보였다 숨겼다 하며 확인해 보자.

분자

보기

MINI LAB‘C·H 표시’를 누르면 숨어 있던 탄소와 수소가 나타난다. 골격 그림만 보고 분자식을 먼저 말한 뒤 확인해 보자.

감광막 용매 PGMEA(프로필렌 글리콜 메틸 에터 아세테이트)의 골격 구조식에서 분자식과 몰질량을 구하라(C 12.011, H 1.008, O 15.999).

풀이 보기

전략 꼭짓점과 선 끝을 모두 탄소로 세고, 각 탄소의 H 수 = 4 − (그 탄소에서 나간 결합 수).

풀이 왼쪽부터: CH₃(O에 붙은 끝, H 3) – O – CH₂(H 2) – CH(곁가지 CH₃를 가져 결합 3, H 1) – CH₃(H 3) / O – C(=O)(결합 4, H 0) – CH₃(H 3). 탄소 6개, H = 3+2+1+3+0+3 = 12, O 3개. 몰질량 = 6(12.011) + 12(1.008) + 3(15.999) = 72.066 + 12.096 + 47.997 = 132.16 g/mol.

C₆H₁₂O₃, 132.16 g/mol

검토 고리·다중 결합이 C=O 하나뿐이므로 H 수는 포화 $2n+2 = 14$보다 2 적은 12여야 한다. 맞다.

SIMULATOR

골격 구조식 해독 게임

과제

강조된 탄소의 H 수

정답 보기(C·H 표시)

분자—

맞힘0 / 0

연속0

‘꼭짓점 H 수’에서는 노랗게 강조된 탄소에 숨은 수소 수를 고른다. 그림의 다른 꼭짓점을 누르면 그 탄소로 문제가 바뀐다. ‘분자식’에서는 분자 전체의 분자식을 입력한다(원소 순서는 상관없다). 해볼 것: ① 연속 10개 정답. ② 벤젠 고리의 꼭짓점은 왜 H가 1개 또는 0개뿐인가? ③ 고리 하나나 이중 결합 하나마다 H가 2개씩 줄어드는 것을 분자식 문제에서 확인하자.

거꾸로 축약 구조식을 골격 구조식으로 옮길 때는 주사슬의 탄소를 지그재그로 놓고, 곁가지와 헤테로 원자를 붙인 뒤 C와 C–H를 지운다. CO₂CH₃ 같은 묶음은 –C(=O)–O–CH₃로 풀어 쓴다. 예를 들어 (CH₃)₂CHCH₂CH₂OH(아이소아밀 알코올)와 CH₂=CHCO₂CH₃(아크릴산 메틸, 아크릴 감광막·접착제의 단량체)는 다음과 같다. 꼭짓점마다 H를 다시 세어 원래 식의 H 수(12, 6)와 맞는지 확인하는 습관을 들이자.

작용기 둘러보기

유기 분자의 반응은 대부분 C–C·C–H 골격이 아니라 그 위에 붙은 특정 원자 묶음에서 일어난다. 이 묶음이 작용기(functional group)다. 작용기가 같으면 골격의 크기와 상관없이 비슷한 반응을 하므로, 유기화학 지식의 대부분은 작용기별로 정리된다(이 책 16–20장). 작용기는 크게 ① C–C 다중 결합(알켄·알카인·방향족 고리), ② 탄소가 전기음성 원자와 단일 결합한 것(할로젠화 알킬, 알코올, 에터, 아민, 싸이올), ③ 카보닐 C=O를 가진 것(알데하이드, 케톤, 카복실산, 에스터, 아마이드, 산 염화물)으로 나눌 수 있다. 골격의 탄화수소 부분은 흔히 R로 줄여 쓴다.

작용기	예	이 책
알켄(alkene)	에틸렌	8장
알카인(alkyne)	아세틸렌	9장
방향족 고리(아렌)	톨루엔	14·15장
할로젠화 알킬	브로모에테인	6·7장
알코올(alcohol)	IPA	16장
에터(ether)	다이에틸 에터	16장
아민(amine)	에탄올아민	20장
알데하이드(aldehyde)	아세트알데하이드	17장
케톤(ketone)	아세톤	17장
카복실산(carboxylic acid)	아세트산	18장
에스터(ester)	아세트산 에틸	18장
아마이드(amide)	NMP(고리형)	18장
나이트릴(nitrile)	아세토나이트릴	18장
싸이올(thiol)	에테인싸이올	16장

SIMULATOR

작용기 탐색기: 반도체 공정의 유기 분자

분자

찾은 작용기(누르면 강조)

작용기 차례로 돌아보기

분자식—

몰질량—

쓰임—

작용기는 구조식에서 자동으로 찾는다. 그림의 원자를 누르면 그 원자가 속한 작용기가 강조된다. 해볼 것: ① 젖산 에틸에는 작용기가 두 개다. 각각 어떤 성질(극성, 수소 결합)을 주는가? ② t-BOC 보호 하이드록시스타이렌과 4-하이드록시스타이렌을 비교해 보자. 보호기가 떨어지며 카보네이트가 페놀로 바뀌는 것이 감광막 현상의 원리다. ③ HMDS의 Si–N과 TMAH의 N⁺는 22·20장에서 다시 만난다.

작용기 하나가 바꾸는 용해도: 화학 증폭형 감광막의 현상

KrF(248 nm) 감광막의 주 수지는 폴리(4-하이드록시스타이렌)(PHS)이고, 페놀 OH의 일부(대개 20–40 %)를 tert-뷰톡시카보닐(t-BOC) 같은 산 분해성 보호기로 덮어 둔다. 보호된 수지는 OH가 가려져 극성이 낮고 2.38 wt% TMAH 수용액(0.26 M, pH ≈ 13.4) 현상액에 녹지 않는다. 노광으로 광산 발생제(PAG)가 산을 내면, 노광 후 굽기(PEB, 90–130 °C) 동안 산이 촉매로 카보네이트를 끊어 CO₂와 아이소뷰틸렌을 날리고 페놀(pKa ≈ 10)을 되살린다. 페놀은 pH 13.4에서 거의 전부 페녹사이드로 바뀌어 현상액에 녹는다. 작용기 하나(카보네이트 → 페놀)의 변화가 극성과 산성도를 바꿔 노광부만 녹이는 것이다. ArF 감광막은 같은 원리로 메타크릴레이트의 3차 에스터를 카복실산으로 바꾼다(23장). → LithoBook · 감광막의 화학, LithoBook · 현상과 레지스트 프로파일

분자 간 힘과 끓는점·용해도

분자 안의 공유 결합(수백 kJ/mol)과 달리 분자와 분자 사이의 인력은 몇–수십 kJ/mol로 약하다. 그래도 끓는점, 녹는점, 점도, 용해도, 표면 젖음을 정하는 것은 이 분자 간 힘(intermolecular force)이다(→ 일반화학 · 분자 간 힘). 세 가지가 중요하다.

분산력(London dispersion force): 전자 구름의 순간 요동이 만든 일시 쌍극자가 이웃에 유도 쌍극자를 만들어 끌어당긴다. 모든 분자에 있고, 분자가 크고(전자가 많고) 길쭉해 접촉 면적이 넓을수록 세다. 무극성 분자(알케인)의 유일한 인력이다.
쌍극자–쌍극자 힘(dipole–dipole force): 극성 분자(4절)의 δ+ 끝과 이웃 분자의 δ− 끝이 끌어당긴다. 케톤·에스터·나이트릴·할로젠화 알킬.
수소 결합(hydrogen bond): O–H, N–H(F–H)처럼 전기음성 원자에 붙은 H가 이웃 분자의 O·N 비공유쌍과 이루는 특히 센 쌍극자 상호작용(10–40 kJ/mol). 알코올·카복실산·아민·물.

분자 간 힘의 세 가지. 크기는 대략 분산력(분자 크기에 따라 넓게) < 쌍극자–쌍극자 < 수소 결합이지만, 큰 분자의 분산력은 작은 분자의 수소 결합을 넘어설 수 있다.

끓는점을 비교하는 요령은 다음과 같다. ① 몰질량이 비슷하면 수소 결합 > 쌍극자 > 분산력만. ② 같은 작용기 계열에서는 몰질량(사슬 길이)이 클수록 높다. 알케인은 CH₂ 하나마다 20–30 °C씩 오른다. ③ 같은 분자식이면 가지가 많아 공처럼 둥근 분자가 접촉 면적이 작아 낮다(펜테인 36 °C, 네오펜테인 9.5 °C).

에탄올 CH₃CH₂OH와 다이메틸 에터 CH₃OCH₃는 분자식(C₂H₆O)이 같다. 끓는점 차이는 대략?

에탄올(78 °C)은 O–H로 수소 결합을 하지만 다이메틸 에터(−25 °C)는 O에 H가 붙어 있지 않아 수소 결합을 주지 못한다. 차이는 약 103 °C. 시뮬레이터에서 알코올과 에터 계열을 함께 켜 보자.

SIMULATOR

끓는점 지도와 예측 게임

계열 보이기

예측할 분자

내 예측—

실제 끓는점—

평균 오차—

푼 개수0

그래프의 흰 손잡이(예측할 분자의 몰질량 위치)를 위아래로 끌어 끓는점을 예측하고 ‘확인’을 누른다. 계열 선을 켜고 끄며 근거를 찾자. 해볼 것: ① 같은 몰질량에서 알케인 < 에터 < 케톤 < 아민 < 알코올 순서를 확인한다. ② 가지 친 분자(네오펜테인, tert-뷰탄올)는 같은 계열 선보다 아래에 놓인다. ③ 평균 오차 15 °C 이내로 다섯 분자를 연속으로 맞혀 보자.

다음 네 화합물을 끓는점이 낮은 것부터 늘어놓아라: 뷰테인(58.1 g/mol), 프로판알(58.1), 1-프로판올(60.1), 아세트산(60.1).

풀이 보기

전략 몰질량이 거의 같으므로 분자 간 힘의 종류로 정한다.

풀이 뷰테인은 분산력만(−0.5 °C). 프로판알은 C=O 쌍극자(48 °C). 1-프로판올은 O–H 수소 결합(97 °C). 아세트산은 C=O와 O–H가 함께 있어 두 분자가 수소 결합 두 개로 이량체를 이룬다(118 °C).

뷰테인 < 프로판알 < 1-프로판올 < 아세트산

검토 같은 몰질량에서 120 °C 가까운 차이가 분자 간 힘의 종류만으로 생긴다. 카복실산의 이량체는 기체에서도 남는다(18장).

용해도: 비슷한 것끼리 녹는다

용질이 녹으려면 용질–용질, 용매–용매 인력을 끊고 용질–용매 인력을 새로 만들어야 한다(→ 일반화학 · 용해 과정). 분자 간 힘의 종류가 비슷할수록 새로 생기는 인력이 끊은 것을 잘 보상하므로 "비슷한 것이 비슷한 것을 녹인다". 물과 메탄올·에탄올·IPA·아세톤은 어떤 비율로도 섞이지만 헥세인·톨루엔은 물에 거의 녹지 않는다. 알코올은 탄화수소 꼬리가 길어질수록 물에 덜 녹는다: 1-뷰탄올은 물 100 mL에 약 7 g, 1-헥산올은 약 0.6 g. 용매의 극성은 흔히 유전 상수(dielectric constant) ε로 나타낸다. ε가 크면 이온과 극성 분자를 잘 떼어 녹이고, 작으면 무극성 물질을 잘 녹인다. 용매는 또 O–H·N–H를 가져 수소 결합을 줄 수 있는 양성자성 용매(protic solvent)와 그렇지 않은 비양성자성 용매(aprotic solvent)로 나뉜다. 이 구분은 6장 치환 반응의 속도를 좌우한다.

반도체 공정 용매만 강조 점을 누르면 용매 정보가 나온다

MINI LAB용매 지도: 가로축 유전 상수 ε(극성), 세로축 끓는점. 모양은 양성자성(●), 비양성자성 극성(◆), 비양성자성·무극성(■). 감광막 용매 PGMEA는 ε 8.3으로 중간 극성이면서 끓는점이 146 °C라 스핀 코팅 중 너무 빨리 마르지 않는다.

웨이퍼 위 ① 감광막(극성 중간의 페놀·에스터 수지) 찌꺼기와 ② 손가락 기름(긴 사슬 지방산 에스터, 무극성)을 닦으려 한다. 물·IPA·아세톤·헥세인 가운데 각각에 알맞은 용매와, 마지막 헹굼·건조에 IPA를 쓰는 이유를 말하라.

풀이 보기

전략 용질과 극성(ε)·수소 결합 능력이 비슷한 용매를 고른다. 건조에는 물과 섞이고 표면 장력이 낮으며 휘발성이 큰 용매가 좋다.

풀이 ① 감광막 수지: 쌍극자 힘이 크고 수소 결합 받개인 아세톤(ε 20.7)이 잘 녹인다(재작업 rework). ② 기름: 무극성이므로 헥세인(ε 1.9)이 가장 잘 녹이지만, 아세톤·IPA도 어느 정도 녹인다. 헹굼·건조: IPA는 물과 완전히 섞여 물을 밀어내고, 표면 장력(약 22 mN/m)이 물(72.8)의 1/3 이하라 미세 패턴 사이에서 마르며 생기는 모세관 힘이 작고, 끓는점 82.5 °C로 잘 마른다.

감광막: 아세톤, 기름: 헥세인(또는 아세톤), 건조: IPA

검토 아세톤은 너무 빨리 증발해 표면에 녹은 물질을 다시 남기기 쉬우므로 보통 아세톤 → IPA → 물 순서로 헹군다.

IPA·아세톤·PGMEA: 극성과 증발 속도로 고르는 공정 용매

감광막 용액은 수지·광산 발생제·첨가제를 PGMEA(ε 8.3, 끓는점 146 °C)나 PGMEA/PGME 혼합 용매에 녹인 것이다. PGMEA는 에터와 에스터 산소가 수지의 페놀 OH·에스터와 쌍극자·수소 결합 받개 상호작용을 하면서도 물과 섞이지 않을 만큼 덜 극성이고, 끓는점이 높아 1500–3000 rpm 스핀 코팅 동안 막이 고르게 얇아진 뒤에야 마른다. 웨이퍼 가장자리의 두꺼운 막은 같은 계열 용매로 녹여 낸다(엣지 비드 제거). 아세톤(ε 20.7, 56 °C)은 감광막을 빠르게 녹이지만 증발이 빨라 얼룩을 남기므로 주로 재작업과 장비 세척에 쓰고, IPA(ε 19.9, 82.5 °C)는 물과 섞이고 표면 장력이 낮아 습식 세정 마지막의 치환 건조(IPA 증기·마랑고니 건조)에 쓴다. 고종횡비 패턴에서는 IPA의 낮은 표면 장력도 모자라 패턴 붕괴를 막으려고 초임계 CO₂ 건조까지 쓴다. → LithoBook · 감광막의 화학, CMPBook · 습식 세정 장비와 첨단 세정

표면의 친수성과 소수성

같은 원리가 고체 표면과 물 사이에도 작동한다. 표면에 O–H 같은 극성 작용기가 촘촘하면 물과 수소 결합해 물방울이 넓게 퍼지고(친수성(hydrophilic)), C–H·Si–H처럼 무극성 작용기로 덮이면 물이 방울로 뭉친다(소수성(hydrophobic)). 정도는 물방울 가장자리가 표면과 이루는 접촉각(contact angle) θ로 잰다. 세 계면 장력의 힘 균형이 영 식이다(→ 열·통계물리 · 젖음).

$$\gamma_{SV} = \gamma_{SL} + \gamma_{LV}\cos\theta \quad\Longrightarrow\quad \cos\theta = \frac{\gamma_{SV}-\gamma_{SL}}{\gamma_{LV}}$$

$\gamma_{SV}, \gamma_{SL}, \gamma_{LV}$: 고체–기체, 고체–액체, 액체–기체 계면 장력(mN/m = mJ/m²). 물은 $\gamma_{LV} = 72.8$ mN/m(20 °C). 액체가 표면에 붙는 일(부착 일)은 $W_a = \gamma_{LV}(1+\cos\theta)$.

웨이퍼 표면의 말단 작용기가 젖음을 정한다. 무극성 Si–H 표면은 물과 수소 결합하지 못해 접촉각이 크고, Si–OH 표면은 물과 수소 결합해 물이 퍼진다.

표면

MINI LAB물방울 꼭대기의 손잡이를 위아래로 끌어 접촉각을 바꾸면(물방울 부피는 그대로) $\cos\theta$, 표면 에너지 차 $\gamma_{SV}-\gamma_{SL}$, 부착 일이 함께 바뀐다. 표면 단추는 대표 접촉각으로 되돌린다.

물($\gamma_{LV}$ = 72.8 mN/m)이 $\gamma_{SV} - \gamma_{SL}$ = 12.5인 표면에 놓이면 $\cos\theta$ = , 접촉각 θ = , 부착 일 $W_a$ = 이다.

HF 후 Si–H와 SC-1 후 Si–OH: 접촉각으로 읽는 표면 작용기

묽은 HF(DHF, 0.5–1 %)에 담가 자연 산화막을 녹이면 실리콘 표면 결합이 수소로 끝난다(Si–H, Si–H₂). Si(1.90)와 H(2.20)의 전기음성도 차이가 작아 표면이 무극성이 되고, 물 접촉각이 약 70–80°로 커져 웨이퍼가 물을 튕긴다(그래서 "HF-last" 웨이퍼는 꺼내는 순간 마른다). 반대로 SC-1(NH₄OH : H₂O₂ : H₂O ≈ 1 : 1 : 5, 70–80 °C)은 표면을 약 1 nm 산화시키며 Si–OH로 덮어 접촉각을 10° 미만으로 만든다. 소수성 표면은 마를 때 물방울이 굴러다니며 녹은 실리카를 한곳에 남겨 물자국(water mark)을 만들기 쉽고, 입자도 다시 붙기 쉽다. 그래서 세정 순서와 건조 방식(IPA 치환)을 표면 말단에 맞춰 짠다. 감광막을 바르기 전에는 거꾸로 HMDS 증기로 Si–OH를 Si–O–Si(CH₃)₃로 바꾸어 접촉각을 65–80°로 올린다. 친수성 표면에 남은 물막이 감광막 접착을 해치기 때문이다. → ProcessBook · 실리콘 웨이퍼와 세정, CMPBook · 세정의 기초

세정 후 유기 잔류물: 접촉각이 먼저 안다

세정 직후의 친수성 산화막 표면은 표면 에너지가 커서 클린룸 공기 속 유기 분자를 빠르게 흡착한다. 대표적인 것이 가소제 프탈레이트(DOP, 끓는점 약 385 °C), 실록산(실리콘 밀봉재·윤활제에서 나온 고리형 D4–D6), 산화 방지제(BHT) 같은 저휘발성 분자다. 이들은 C–H가 많은 무극성 꼬리를 바깥으로 향해 눕기 때문에, 단분자층 수준의 오염만으로도 물 접촉각이 몇 도에서 20–40°로 올라간다. 그래서 접촉각 측정은 XPS·TOF-SIMS보다 빠른 유기 오염 감시법으로 쓰이고, 웨이퍼 보관 상자(FOUP)의 재질·퍼지와 초순수의 총유기탄소(TOC, 1 ppb 미만 관리)를 관리하는 이유가 된다. 유기 잔류물은 게이트 산화막의 신뢰성과 ALD 막의 초기 성장(핵 생성 지연)을 해친다. → InfraBook · 분자 오염과 미니인바이런먼트, CMPBook · CMP 후 세정

핵심 정리

탄소는 원자가 전자 4개로 결합 4개를 만든다. 루이스 구조는 원자가 전자 총수 → 단일 결합 골격 → 비공유쌍 → 다중 결합 순서로 그리고, 형식 전하 $FC = V - N - B/2$의 크기 합이 작은 구조가 낫다. 유기 분자에서 보통 C 4결합·0쌍, N 3·1, O 2·2, 할로젠 1·3이며 이와 다르면 형식 전하가 붙는다.
입체수 4·3·2의 원자는 sp³(109.5°)·sp²(120°)·sp(180°) 혼성이다. s 성질 $\alpha$와 결합각은 $\cos\theta = -\alpha/(1-\alpha)$로 이어지고, s 성질이 클수록 C–H 결합이 짧고 세며 산성이 커진다(pKa 50 → 44 → 25).
σ 결합은 축 위 정면 겹침이라 회전해도 유지되고, π 결합은 나란한 p 오비탈의 옆 겹침이라 약하며(≈ 270 kJ/mol) 비틀면 끊어진다. 결합 차수가 클수록 짧고 강하다: C–C 154 pm·377, C=C 134·728, C≡C 120·965 kJ/mol.
전기음성도 차이가 결합 극성(δ+/δ−)을 만들고, 분자의 쌍극자 모멘트는 결합 쌍극자의 벡터 합이다. 대칭 분자(CO₂, CCl₄, 트랜스-C₂H₂Cl₂)는 극성 결합이 있어도 μ = 0이다.
골격 구조식에서 꼭짓점과 선 끝은 탄소, 탄소에 붙은 H는 생략한다(H 수 = 4 − 결합 수). 헤테로 원자와 그 H만 글자로 쓴다.
작용기(알켄, 알코올, 에터, 아민, 카보닐 계열 등)가 분자의 반응과 극성을 정한다. 감광막의 보호기 탈리처럼 작용기 하나의 변화가 용해도를 뒤집는다.
끓는점은 수소 결합 > 쌍극자 > 분산력 순서, 같은 계열에서는 몰질량이 클수록, 가지가 적을수록 높다. 용해도와 표면 젖음도 같은 원리다: Si–H 표면은 소수성(θ ≈ 80°), Si–OH 표면은 친수성(θ < 10°).

연습문제

원자량: C 12.011, H 1.008, O 15.999, N 14.007. 쌍극자 1 D = $3.336\times10^{-30}$ C·m, $e = 1.602\times10^{-19}$ C. 물의 표면 장력 72.8 mN/m.

아세토나이트릴 CH₃C≡N에서 나이트릴 탄소(C≡N의 C)의 혼성은?

나이트릴 탄소는 CH₃와 단일 결합, N과 삼중 결합으로 두 방향만 가진다(입체수 2). 따라서 sp이고 C–C≡N은 180° 직선이다.

테트라메틸암모늄 이온(TMAH의 양이온) (CH₃)₄N⁺에서 질소의 형식 전하는?

질소의 원자가 전자는 5개, 비공유 전자는 0개, 결합은 4개(결합 전자 8개).

$FC = 5 - 0 - 8/2 = +1$. 결합을 하나 더 가진(비공유쌍을 결합에 쓴) 질소는 +1이다. NH₄⁺도 같다.

아세톤 (CH₃)₂C=O의 카보닐 탄소의 혼성을 써라(예: sp3).

카보닐 탄소는 CH₃ 두 개와 O 하나, 세 방향을 가진다(입체수 3). sp², 주위 결합각 약 120°, 평면이다.

사이클로헥산온(감광막·SOC 용매)의 골격 구조식에서 수소 원자의 총수는?

카보닐 탄소는 H가 없고, 나머지 고리 꼭짓점 다섯 개는 결합이 2개씩이다.

CH₂ 다섯 개 → H 10개. 분자식 C₆H₁₀O.

감귤 향 세정제 성분 리모넨의 수소 원자 수와 몰질량을 구하라.

탄소는 10개. 꼭짓점마다 4 − (결합 수)를 더한다. 이중 결합은 결합 2개로 센다.

CH₃ 2개(6) + 고리 =CH 1개(1) + 고리 CH₂ 3개(6) + 고리 CH 1개(1) + 곁가지 =CH₂(2) + 이중 결합 탄소 2개(0) = H 16. C₁₀H₁₆, $M = 10(12.011) + 16(1.008) = 136.24$ g/mol. 고리 1개 + 이중 결합 2개 = 불포화도 3이라 $2(10)+2-2\times3 = 16$으로도 확인된다.

두 결합 오비탈 사이의 각이 104.5°일 때 각 오비탈의 s 성질은 몇 %인가?

$\alpha = -\cos\theta/(1-\cos\theta)$.

$\cos 104.5° = -0.2504$, $\alpha = 0.2504/1.2504 = 0.200$ → 20.0 %.

s 성질이 30 %인 두 혼성 오비탈 사이의 각은?

$\cos\theta = -0.30/0.70 = -0.4286$ → $\theta = 115.4°$. sp³(109.5°)와 sp²(120°) 사이다. 사이클로프로페인의 C–H 오비탈(약 33 %)처럼 고리 변형이 있는 탄소에서 이런 중간 혼성이 나타난다.

HF의 쌍극자 모멘트는 1.82 D, 결합 길이는 91.7 pm이다. H–F 결합의 이온성(완전 이온 결합 대비 비율)은 몇 %인가?

완전 이온이면 $\mu = ed$.

$ed = 1.602\times10^{-19}\times 91.7\times10^{-12} = 1.469\times10^{-29}$ C·m = 4.40 D. 이온성 = 1.82/4.40 = 0.413 → 41.3 %. 플루오린의 큰 전기음성도(3.98) 때문에 HCl(약 18 %)의 두 배가 넘는다.

암모니아는 H–N–H 결합각 107.3°인 삼각뿔이다. N–H 결합 쌍극자를 1.31 D라 하면 분자의 쌍극자 모멘트는? (세 결합이 대칭축과 이루는 각 β는 $\cos\theta_{HNH} = (3\cos^2\beta - 1)/2$를 만족한다.)

$\cos^2\beta = (2\cos 107.3° + 1)/3$. 대칭축 성분만 남는다: $\mu = 3\mu_{NH}\cos\beta$.

$\cos 107.3° = -0.2974$, $\cos^2\beta = (1 - 0.5948)/3 = 0.1351$, $\cos\beta = 0.3675$(β = 68.4°). $\mu = 3 \times 1.31 \times 0.3675 = 1.44$ D. 실측 1.47 D와 가깝다.

분자식이 C₄H₁₀O로 같은 다음 두 화합물 가운데 끓는점이 높은 것은?

1-뷰탄올(117.7 °C)은 O–H 수소 결합을 하고, 다이에틸 에터(34.6 °C)는 받개 산소만 있고 줄 H가 없다. 차이는 약 83 °C.

젖산 에틸 CH₃CH(OH)CO₂CH₂CH₃에서 에스터 말고 또 하나의 작용기 이름은?

sp³ 탄소에 붙은 OH, 즉 알코올(2차 알코올)이다. 이 OH의 수소 결합 덕분에 젖산 에틸은 물과 섞이고 끓는점이 154 °C로 높다.

아크릴로나이트릴 CH₂=CH–C≡N(ABS 수지·탄소 섬유 단량체)의 σ 결합과 π 결합 수를 세어라.

모든 결합에 σ가 하나씩, 이중 결합에 π 하나, 삼중 결합에 π 둘.

C–H 3개, C=C, C–C, C≡N → σ 6개. π는 C=C에 1개, C≡N에 2개 → 3개.

HF 처리 직후의 실리콘 표면에서 물의 접촉각이 80°였다. 물이 이 표면에 붙는 부착 일 $W_a$는?

$W_a = \gamma_{LV}(1+\cos\theta) = 72.8(1 + 0.1736) = 85.4$ mJ/m². SC-1 처리 표면(θ ≈ 5°)의 145 mJ/m²보다 훨씬 작아 물이 쉽게 떨어진다.

다음 중 쌍극자 모멘트가 0인 것은?

트랜스 이성질체는 두 C–Cl 쌍극자(그리고 두 C–H 쌍극자)가 반전 중심을 사이에 두고 정반대를 향해 상쇄된다. 시스는 1.90 D, CH₂Cl₂ 1.60 D, CHCl₃ 1.04 D.

다이아조메테인 CH₂N₂(C–N–N 순서)의 원자가 전자 총수와, 모든 원자가 팔전자를 채운 가장 좋은 루이스 구조에서 형식 전하 크기의 합 $\sum|FC|$을 구하라.

형식 전하가 0인 팔전자 구조는 없다. H₂C=N=N에서 각 N의 형식 전하를 매겨 보자.

전자 수 4 + 2(1) + 2(5) = 16. H₂C=N⁺=N⁻: 가운데 N은 $5 - 0 - 8/2 = +1$, 끝 N은 $5 - 4 - 4/2 = -1$, C는 0 → 합 2. 다른 공명 구조 H₂C⁻–N⁺≡N도 합이 2다. 형식 전하 0인 구조를 만들려면 어느 원자가 팔전자를 못 채운다. 루이스 퍼즐 시뮬레이터에서 확인할 수 있다.

개념 확인 퀴즈

메테인의 네 C–H 결합이 모두 같은 이유를 가장 잘 설명하는 것은?

바닥 상태에는 2p 홀전자가 두 개뿐이다. 승격 후 2s와 2p 셋이 섞여 s 성질 25 %인 동등한 오비탈 네 개가 정사면체로 배치된다.

에틸렌의 C=C 결합 둘레로 한 CH₂를 90° 돌리면?

σ 겹침은 축 대칭이라 회전과 무관하지만, 두 p 오비탈은 90°에서 직교해 겹침이 0이 된다. 그 비용이 약 270 kJ/mol이다.

골격 구조식에서 고리 꼭짓점 하나에 결합선 세 개가 모이고 그 탄소에 형식 전하가 없다. 그 탄소의 H 수는?

탄소는 결합 4개를 가지므로 4 − 3 = 1.

사염화 탄소 CCl₄가 무극성인 이유는?

C–Cl은 전기음성도 차이 0.61의 극성 결합이지만, 정사면체로 놓인 같은 크기의 벡터 넷의 합은 0이다. 하나를 H로 바꾸면(CHCl₃) 1.04 D가 된다.

HF 세정 직후 웨이퍼가 물을 튕기는(접촉각이 큰) 이유는?

HF는 산화막을 녹이고 표면을 수소로 끝낸다. Si–H는 극성이 작아 물과 수소 결합하지 못하므로 물이 방울로 뭉친다(θ ≈ 70–80°). SC-1은 반대로 Si–OH 표면을 만든다.