물분자의 입체적 구조의 계산화학적 분석

목차

I.탐구동기 및 목적

II.이론적 배경

III.탐구과정

IV.탐구결과

V.결과분석

VI.참고문헌

본문내용

전자쌍이 위치하여 전자반발력이 작용하기 때문이다.
이러한 물 분자들이 여러 개 존재할 경우 물분자사이의 수소결합에 의해 특정한 모양을 이룰 수 있다. 양자역학적으로 여러 개의 물 분자들의 안정적인 구조를 분석하여 그 모양을 살펴본다.
II. 이론적 배경
수소결합은 O·N·F 등 전기음성도가 강한 2개의 원자 사이에 수소원자가 들어감으로써 생기는 약한 화학결합이다. 일반적으로 수소결합은 O·N·F등 전기음성도가 강한 원자 사이에 수소원자가 들어갈 때 생기는 것으로, X－H…Y와 같이 표시된다. 이것은 X－H…Y라는 결합에서는 X－H가 공유결합이라도 X의 강한 전기음성에 의하여 수소원자의 전자가 X쪽에 강하게 끌리는 것을 뜻한다. 따라서 H는 거의 노출된 양성자로 되고, 이것으로 인하여 강한 전기음성도를 지닌 Y는 양성자받개(수용체)로서 H에 접근하여 약한 결합이 생기게 된다(결합에너지는 2∼8 kcal/mol).
수소결합은 여러 가지 물질에 중요한 영향을 미치고 있다. 앞의 얼음의 경우에는 수소결합에 의하여 생긴 그물코구조로 해서 상당한 공간이 생긴다. 얼음을 가열할 때 녹는점에서 어느 정도의 융해열이 필요한 것은 이 수소결합을 절단하기 위한 것이며, 물은 수소결합이 어느 정도 절단된 상태이므로 1개의 물분자를 둘러싸는 다른 물분자의 수가 증가하여, 물분자 사이의 틈이 작아진다.
III. 탐구 과정
① 을 이용하여 물분자를 그린다.
② [Geometry Optimization]으로 결과를 얻고 ‘hin'파일로 저장한다.
③ 프로그램을 이용하여 계산한다.
④ 계산한 결과를 분석하여 분자에 대한 자세한 정보를 얻고 다시 에 적용시켜 물분자의 모양을 확인한 후 정확한 구조를 알아낸다.
⑤ 이와 같은 과정을 물분자 2,3,4,5,6개에 적용하여 반복한다.
IV. 탐구 결과
각도: °
거리:
물분자 1개
하나의 물분자는 H-O-H 간 각도가 약 104.5도를 이루는 bent형의 구조이다.
물분자 2개
분석 불가능, 계산이 끝나지 않는다.
계산 중간결과를 계속 에 넣어보면 두 분자사이의 거리가 점점 증가한다.
물분자 3개
한 평면상에 3개의 물분자의 모든 원자가 소속된다. 산소원자들을 연결하면 정삼각형모양이 형성되고 수소, 산소 원자의 배열과 그 거리로 보아서 수소결합을 하고 있음을 알 수 있다. H-O-H간 거리가 다소 줄어들었음을 알 수 있었다.
물분자 4개
앞의 3개의 물분자와는 다르게 한 평면상에서 모든 원자가 소속되지 않았다. 모양도 기하학적으로 대칭적인 정삼각형모양에서 약간 찌그러진 사각형모양으로 바뀌었다. H-O-H간 각도도 더욱 줄어든 것이 눈에 띈다. 수소결합간 거리도 약간 증가하였다.
물분자 5개
물분자 5개중 4개는 앞의 물분자 4개로 실험했을 때의 결과와 흡사했다. 따라서 총 6개의 수소결합이 존재하는 것을 볼 수 있었다.
물분자 6개
분석할 수 없었다. 가장 계산을 간단하게 하는 BASE SET을 사용했음에도 불구하고 지속적인 에러가 났다. 6개 이상의 물분자는 상호작용이 너무 복잡해서 현재 나의 컴퓨터로 계산하지 못했다.
V. 결과분석
물 분자내의 각도는 대체로 물 분자의 개수가 증가할수록 작아진다. 그것은 수소결합의 영향인 것으로 생각할 수 있는데 수소결합력이 물분자의 수소원자를 벌리거나 오므라들게 하기 때문이다.
하나의 물 분자는 수소-산소-수소간 각도가 104.5도정도 의 각을 이루는 굽은 막대형의 구조이다.
두 개의 물 분자는 서로 멀리 존재할수록 안정하다. 두 개의 물분자가 존재할 때 두 분자 간 인력보다는 척력이 우세하기 때문인 것으로 생각된다.
물 분자 3개가 존재할 때는 한 평면상에서 존재하며 3개의 수소결합을 통해 정삼각형모양으로 배열된다.
물 분자가 4개일 때는 찌그러진 사각형모양을 이루며 4개의 수소결합을 이룬다.
물 분자가 5개일 때는 4개의 분자가 수소결합을 이루고 다른 한 분자는 사각형의 한 편 위에 위치하여 수소결합을 이룬다.
VI. 참고문헌
http://en.wikipedia.org/wiki/Water
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bond
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Liquid_water_simulation.jpg
http://100.naver.com/100.nhn?docid=96816
현대일반화학 5판/Oxtoby/p178~p180

키워드

물분자,   계산화학,   입체,   수소결합