비편재화(Delocalized)된 전자란 무엇인가?

비편재화(Delocalized)에 대하여

화학에서 정의하는 비편재화(Delocalized)된 전자에 대하여

 

비편재화 된 전자는 임의의 하나의 원자 또는 하나의 공유결합에 속하지 않은 원자(또는 이온이나 분자)의 전자를 뜻합니다.

 

비편재화된 전자는 고리구조를 가지는 방향족 탄화수소에서 흔히 볼 수 있습니다. 여기서 비편재화된 전자는 단일 또는 이중 결합으로 표시하지 않고 원을 그려 표시합니다. 이러한 표기법은 고리구조 내의 전자가 특정 화학결합에 속하는 것이 아니라 고리구조 내 결합의 어느 곳이든 존재할 가능성이 동등하다는 것을 뜻합니다.

 

비편재화된 전자는 그 독특한 특성으로 인해 원자, 이온 또는 분자의 전기적 특성을 바꿀 수 있습니다. 대체적으로 비편재화 된 전자가 많은 물질은 높은 전기전도도를 가지는 경우가 많습니다.

 

벤젠의 화학구조

 

고리구조를 가지는 대표적 물질인 벤젠 분자에서, 전자에 대한 전기적 힘은 고리 전체에 걸쳐 균일합니다. 이런 비편재화는 공명 구조를 생성합니다.

 

금속 내부에서 비편재화된 전자의 바다

 

비편재화 된 전자는 방향족 탄화수소 뿐 아니라 고체 금속에서도 볼 수 있습니다. 금속결합을  이루는 전자는 금속 내부를 자유롭게 이동할 수있는 전자의 바다를 형성합니다. 금속의 전기전도도가 우수한 이유는 이런 비편재화된 전자 때문입니다.

 

[재료공학] 금속결합(metallic bond)의 이해

 

같은 탄소원자로 구성된 다이아몬드와 흑연의 비교를 통해 비편재화의 영향을 살펴보겠습니다. 다이아몬드의 결정구조는 사면체를 이루는데 각 모서리의 탄소원자는 모두 총 4개의 공유결합에 참여합니다. 이 전자들은 각 결합에 모두 참여하기 때문에 각 결합위치에만 존재하는, 즉 편재화된 전자라고 할 수 있습니다.

 

흑연과 다이아몬드의 원자 구조 비교

 

다이아몬드와 마찬가지로 탄소로 구성된 흑연의 경우 다이아몬드와는 달리 탄소원자가 각자 3개씩 다른 탄소원자와 공유결합을 이룹니다. 따라서 각각의 탄소원자는 흑연의 층 사이에 비편재화된 전자를 가지고 있으며 이렇게 비편재화된 원자들은 흑연의 평면을 따라 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이런 차이점으로 인해 다이아몬드의 전기 전도도는 매우 낮은 반면 흑연의 전기 전도도는 높습니다.

 

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