왜 포화탄화수소보다 불포화탄화수소가 더 불안정한가요

왜 포화탄화수소보다 불포화탄화수소가 더 불안정한가요?

 

 

 

포화탄화수소는 탄소-탄소 결합이 단일결합뿐이고,

불포화탄화수소는 탄소-탄소 결합이

다중결합을 포함하고 있기 때문입니다.

 

 

 

 

그렇다면,

왜 다중결합을 포함하고 있으면 더 불안정한가요?

 

 

다중결합은 시그마(σ) 결합 1개와

파이(π) 결합 1개 이상을 포함하고 있는데,

파이 결합이 시그마 결합보다 결합세기가 약하기 때문입니다.

( 파이 결합이 시그마 결합보다 불안정하기 때문입니다. )

 

이 때문에 파이 결합이 파괴되어 새로운 결합이 잘 만들어집니다.

 

 

 

> 단일 결합: 1개의 시그마 결합

> 이중 결합: 1개의 시그마 결합 + 1개의 파이 결합

> 삼중 결합: 1개의 시그마 결합 + 2개의 파이 결합

 

 

( 참고: MO 이론. 시그마결합과 파이결합 https://ywpop.tistory.com/15979 )

 

 

 

 

그렇다면,

왜 파이 결합은 더 불안정한가요?

 

 

이 이유는 3가지로 설명 가능합니다.

 

 

 

1) 시그마 결합은 head-to-head overlap으로 결합이 형성되고,

파이 결합은 side-by-side overlap으로 결합이 형성되기 때문에,

겹쳐지는 부분의 전자밀도가 더 낮습니다.

( 이 때문에 파이 결합의 결합세기가 더 약합니다. )

 

 

 

2) 전자의 위치 또한 시그마 전자보다 바깥쪽(외곽)에 있습니다.

( 이 때문에 친전자체(electrophile)의 공격을 더 받기 쉽습니다. )

 

 

 

[그림] 아세틸렌(C2H2)의 삼중결합. 1개의 시그마 결합과 2개의 파이 결합.

C와 C 사이에 있는 노란색 전자밀도는 시그마 결합을,

하늘색, 보라색 전자밀도는 각각 파이 결합을 나타낸다.

외부에서 친전자체가 공격한다면, 어느 곳부터 먼저 공격할까?

---> 가장 바깥쪽 결합부터, 가장 약한 결합부터 공격.

 

 

 

3) 파이 결합을 만드는 오비탈(p_y, p_z)의 에너지 준위가 더 높기 때문에,

파이 결합은 에너지적으로도 더 불안정합니다.

 

 

 

[그림] sp 혼성 오비탈의 형성.

비혼성 오비탈인 p_y, p_z 오비탈의 에너지 준위는

sp 혼성 오비탈의 에너지 준위보다 높다.

 

 

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[그림] ethyne의 루이스 구조. C2H2의 루이스 구조.

 

 

 

 

[그림] 아세틸렌의 삼중결합. 1개의 σ-결합과 2개의 π-결합.

두 원자 사이의 σ-결합은 오로지 단 1개만 가능하다.

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/2938 ] 탄소의 sp2, sp 혼성 오비탈

 

 

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▶ 시그마결합과 파이결합

 

> σ-결합: 양쪽 오비탈의 머리끼리 겹쳐져서 (head-to-head overlap) 만들어진 결합

> π-결합: 양쪽 오비탈의 옆면끼리 겹쳐져서 (side-by-side overlap) 만들어진 결합

 

 

 

[그림] σ-결합 형성과 π-결합 형성.

위 그림만 보면 π-결합이 더 많이 겹칠 수 있다고 생각할 수도 있다.

그러나 head-to-head overlap은

양쪽 오비탈이 글자 그대로 완전히 겹쳐지지만,

side-by-side overlap은

양쪽 오비탈이 일정한 거리를 두고서

오비탈 옆쪽 사이의 공간 상에서 겹쳐지기 때문에,

겹침에 의해 형성된 결합 전자의 밀도를 고려하면,

head-to-head overlap이 훨씬 더 높다.

( 아세틸렌의 삼중결합 그림을 다시 보세요. )

 

 

 

> s 오비탈의 모양은 구형이므로, s 오비탈은 σ-결합만 가능.

> p 오비탈의 모양은 아령형이므로, p 오비탈은 σ-결합, π-결합, 둘 다 가능.

( 참고: σ MO와 π MO https://ywpop.tistory.com/12763 )

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/9897 ] 다중결합의 자유회전은 불가능

 

 

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▶ 단일결합과 다중결합의 전자밀도

 

시그마결합의 전자밀도는 파이결합보다 더 높기 때문에,

단일결합의 전자밀도가 다중결합보다 더 높은 것이 맞지요?

---> 아닙니다.

 

 

시그마결합 1개와 파이결합 1개를 비교하면,

시그마결합의 전자밀도가 더 높지만,

다중결합은 글자 그대로, [시그마결합 + 파이결합] 이므로,

즉 시그마결합의 전자밀도에, 비록 시그마결합보다 전자밀도가 낮지만,

파이결합의 전자밀도를 더한 것이므로, 다중결합의 전자밀도가 더 높습니다.

 

 

또한 이 때문에 다중결합의 결합세기 역시 단일결합보다 더 큽니다.

( 참고: 결합 엔탈피 https://ywpop.tistory.com/2558 )

 

결합의 안정/불안정과 결합 세기를 혼동하지 말자.

다중결합이 더 불안정하다고

다중결합의 결합 세기가 더 약하다는 것은 아니다.

결합 세기는 단일결합보다

다중결합의 결합 세기가 더 강하다(크다).

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.blogspot.com/2024/07/2.html ]

이중결합의 결합에너지가 단일결합의 결합에너지의 두 배가 아닌 이유

 

 

 

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