[유기화학] 2. 극성 공유 결합 : 산과 염기 (feat. 형식 전하)

2.1 전기 음성도
2.2 극성 공유 결합 : 이중극자 모멘트 (쌍극자 모멘트)
2.3 형식 전하 (formal charge)
2.4 공명 (resonance), 공명 구조에 대한 규칙과 그리기
2.5 산과 염기 : 브뢴스테드-로우리 정의
2.6 산과 염기의 세기
2.7 pKa 값으로부터 산-염기 반응의 예측
2.8 유기 산과 유기 염기
2.9 산과 염기 : Lewis 정의

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2.1 전기 음성도는 "공유결합"을 할 때 "전자를 끌어당기는 능력"으로 F를 4.0으로 설정하고 원자 간의 상대적인 힘의 크기를 수치적으로 표현한 것이다. 전기 음성도의 정의와 자주 나오는 원소들의 수치정도는 기억하자.

2.2 극성 공유 결합 : 이중극자 모멘트 (쌍극자 모멘트)에서는 쌍극자 모멘트의 식인 μ = Q x r을 기억해두자. Q는 두 극의 전하의 세기, r은 두 전하 사이의 거리이다. 극성 공유 결합을 하는 분자 중 쌍극자 모멘트의 벡터합이 0일 경우, 그 분자는 극성 공유결합을 가지지만, 비극성 분자이다. 줄다리기를 하는데, 동등한 힘으로 양쪽으로 당기고 있다면 줄은 그대로 가만히 있는 것처럼 보일 것이다. 줄을 당기고 있지만, 줄이 당겨지지 않는 그런 상황이랄까. 대표적인 예로는 이산화탄소(CO2)가 있다.

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2.3 형식 전하가 이 단원에서 중요하게 보고 가야할 개념이다. 간단하지만 반응메커니즘을 그릴 때, 전자가 어디로 갈지를 이 형식 전하를 통해 알 수 있기 때문에 중요하다. 형식전하는 두 가지 방법으로 구할 수 있다.

형식전하 = 원자가전자수 - (고립전자수) - 1/2 (결합전자수) = 원자가전자수 - 현재 전자수

위의 두 방법을 이용하여 형식전하를 구해보면, 두 번째 방법인 (원자가전자수 - 현재 전자수)를 이용하여 계산하는 것이 훨씬 편한 것을 알 수 있다. (첫 번째 방법이 편한 사람들은 그 식을 이용하여 계산하면 된다.)

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2.4 공명 (resonance), 공명 구조에 대한 규칙과 그리기
공명은 원자나 시그마 결합은 그대로 있고, 파이 전자나 비공유 전자쌍, 혹은 홀전자만 이동한다. 공명구조를 이용하여 여러 구조들을 그릴 수 있는데, 이러한 구조들이 실제 구조에 기여하는 정도가 다르다. 더 안정한 것이 더 많이 기여를 할 것이기 때문이다.

1. 구조를 구성하는 원자들이 옥텟 규칙을 만족할수록 더 안정하고, 이에 구조에 더 많이 기여를 할 것이다.

2. 전기음성도가 큰 원자가 음전하를 보유하는 것이 기여도가 크다.
위에서 전기음성도는 공유 결합을 할 때 "전자를 끌어당기는 능력"으로 정의한다고 하였다. 전자를 잘 끌어당기는 원자는 전자가 있어도 비교적 안정적으로 존재할 수 있기 때문에 전자를 잘 끌어당긴다고 할 수 있다. 따라서 전기음성도가 큰 원자가 음전하를 보유하는 것이 더 안정하다고 할 수 있다.

3. 전하의 분리가 적을수록 기여도가 크다.
형식전하를 원자마다 따져보았을 때 전하의 분리가 적을수록 더 안정하다는 의미이다.

4. 반대 전하의 거리가 가까울수록 기여도가 크다.
전자가 풍부한 원자와 전자가 부족한 원자가 가까이 있어야 공명이 비교적 쉬울 것이기 때문이다.

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2.5 산과 염기 : 브뢴스테드-로우리 정의
브뢴스테드-로우리 산과 염기는 양성자를 이용하여 정의하였다. 수용액 상에서 양성자를 제공하는 물질은 브뢴스테드-로우리 산, 수용액 상에서 양성자를 받아들이는 물질은 브뢴스테드-로우리 염기이다. 즉, 브뢴스테드-로우리 산은 양성자 주개, 브뢴스테드-로우리 염기는 양성자 받개이다. 짝산, 짝염기 관계 (양성자 1개 차이)를 알아두자.

2.6 산과 염기의 세기
Ka와 pKa 계산하는 방법을 기억해두자.
(참고로 K는 평형상수이고, 산(acid)의 이온화 평형의 상수, 즉 산해리상수는 밑 첨자에 a를 붙여 Ka로 표현한다.)

Ka 유도 방법

물도 위와 같은 방식으로 Ka를 구할 수 있고, -log를 취해 pKa도 얻을 수 있다.

Ka가 클수록 산성도가 크다. Ka를 의미하는 식에서 양성자(생성물)의 농도가 분자에 위치하기 때문이다. Ka에 -log를 취한 값인 pKa는 작을수록 산성도가 크다는 것을 알 수 있다.
반대로 Ka가 작을수록 산성도가 작다. -log를 취한 값인 pKa는 클수록 산성도가 작다는 것을 알 수 있다. 이렇게 Ka를 통해 산성도를 생각할 수도 있지만, 대부분은 pKa를 이용하기 때문에, pKa에 따라 산성도가 어떻게 되는지 기억해두자.

반응이 진행될 때 브뢴스테드 산의 pKa 값을 기억해두면 편하다. pKa가 작은 산(강산) 쪽에서 큰 산(약산) 쪽으로 반응이 우세하다고 생각할 수 있기 때문이다.

산	pKa
아세트산	4.76
물	15.74
메탄올	16 (15.54)
에탄올	16 (15.56)
암모니아	36
아세틸렌 (C2H2)	25
에틸렌 (C2H4)	44
에테인 (C2H6)	50
벤조산	4.2
페놀	9.89 (10.00, 9.97)
시안산	9.3
탄산	6.3
플루오린화수소산	3.5
염산	-7.0
브롬산	-9.0
요오드산	-10
수소	36

2.7 pKa 값으로부터 산-염기 반응의 예측
위에서 언급한대로 pKa가 작은 산(강산) 쪽에서 큰 산(약산) 쪽으로 반응이 진행된다.

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2.8 유기 산과 유기 염기
유기 산은 -OH가 존재해야 한다. 혹은 카보닐기의 이웃 탄소(알파-탄소) 원자에 H(알파-수소)가 있어야 한다.
-OH의 H와 알파 탄소에 있는 H는 acidic하다.

유기 염기는 양성자와 결합할 수 있는 적어도 하나의 고립 전자쌍을 가지고 있는 원자를 포함한다. 질소나 산소와 같은 원자는 비공유 전자쌍을 가지고 있어, 양성자가 결합할 수 있다.


2.9 산과 염기 : Lewis 정의
브뢴스테드-로우리 정의처럼 단지 양성자를 주거나 받는 물질로 산과 염기를 정의하기에는 한계가 있다. 따라서 더 포괄적인 정의가 필요하다. 그 정의가 바로 루이스 정의이다.
추가적으로 분자 내에 비공유 전자쌍을 가진 원자가 둘 이상일 경우 어떤 원자가 더 강항 염기인지 판단하는 방법도 있다. 공명 구조를 그려 음전하를 가진 원자가 강염기이다.

예시) CH3COOH에서 이중결합을 하고 있는 산소가 더 강한 염기이다.


* 수정해야 할 개념, 혹은 표현이 있다면, 댓글에 달아주시면 감사하겠습니다. *