원자가 결합 이론

원자가 결합 이론은 공유 결합을 설명하기 위한 이론 중 하나이다. 최외각 전자 결합은 화학 결합에 최외각의 원자가 전자들만 결합에 참여한다는 이론이다. 최외각 전자 = 원자가전자 이다. 그러나, 예외는 있다. 18족 원소인데, 18족 원소의 최외각 전자는 He만 2이고 나머지는 모두 8이다. 하지만 18족의 원자가 전자는 0개다. 왜냐하면 화학 결합을 할 수 없기 때문이다.

공유 결합을 이루기 위해서는 원자에 전자 한 개가 들어있는 오비탈이 있어야 한다. 이 조건을 충족시키는 원자 두 개가 접근하면 두 개의 오비탈이 겹치고, 겹친 부분에 각 전자 한개씩, 총 두 개가 같이 들어있으면서 양쪽의 핵을 묶어주어 공유결합을 이룬다는 설명이 원자가 결합 이론이다.

공유 결합을 설명하는 이론은 이 외에도 MO(분자오비탈)이론이 있는데, 각각 장단점이 있으므로 경우에 따라 선택하여 설명하는 것이 대부분이다. 원자가결합이론은 기본적으로 혼성오비탈에 관한 것을 기초에 두고 설명을 한다. 어떠한 혼성을 이루느냐는 SN, 즉 입체수에 따라서 결정된다. '입체수 = 결합한 원자 수 + 비공유전자쌍 수' 라고 계산하면 된다. SN = 2 이면 sp 혼성을 하고(선형), SN = 3 이면 sp2 혼성을 하며(삼각형), SN = 4 이면 sp3 혼성을 하고(정사면체), 3주기 이상부터는 d 오비탈이 혼성에 개입할 수 있어 SN = 5 이면 dsp3 혼성을 하고(삼각쌍뿔), SN = 6 이면 d2sp3 혼성을 한다(정팔면체). 원자가 결합 이론과 혼성오비탈은 VSEPR(전자쌍 반발 원리)와 더불어 분자 모양을 예측하는 데에 매우 유용한 정보를 루이스 구조에서 검은 점은 공유 결합에 쓰이 않은 최외각 전자를 나타내고, 흰 동그라미는 원자핵 또는 원자핵과 내부 전자를 나타낸다. 흰 동그라미 사이의 직선은 공유 결합을 나타낸다.

탄소는 14족으로 최외각 전자가 4개다. 여기에 수소 원자 4개가 각각 탄소 원자와 단일 결합 4개를 만든다. 흑연 구조에서 마지막 남은 최외각 전자는 정육각형 평면의 위나 아래에 위치하면서 이들 평면을 서로 결합시켜주는 역할을 한다.

사실 이 최외각 전자의 결합 에너지는 쉽게 계산할 수 있다.