혼성화(hybridization)란?
결합을 형성하기 위해 원래의 원자 궤도함수들 간에 일어나는 혼합이다.
[sp3 궤도함수와 원자궤도함수의 에너지준위 도표]
위의 에너지 준위 도표처럼 sp3 궤도함수는 p 궤도함수보다 에너지가 낮다. (더 안정하다)
따라서, 분자를 형성할 때에는 혼성화(Hybridization)를 통해서 더 안정한 궤도함수를 형성한다는 사실을 알 수 있다.
규소의 원자번호는 14번
그래서 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 의 전자를 가지는데, 코어 일렉트론인 10개를 제외하면 3s2 3p2의 4개의 원자가전가(valence electron)을 가지게 된다.
원자가전자 : 한 원자에 전자가 채워질 때 에너지 준위가 낮은 오비탈부터 차례로 채워 간다. 전자가 에너지 준위가 낮은 오비탈부터 차례로 채워져 있는 바닥 상태에서 가장 바깥 껍질에 있는 전자를 원자가전자라고 한다. 2, 3주기 원소에서 원자가전자 수가 1~2개인 원자들은 원자가전자를 잃고 양이온이 되려는 경향성을 갖는다. 이러한 경향성을 갖는 원소들을 금속이라고 한다. 또한 원자가전자 수가 6~7개인 원자들은 전자를 얻어 음이온이 되려는 경향성을 갖는다. 이러한 경향성을 갖는 원자들을 비금속이라고 한다. 원자가전자 수는 원자 번호의 증가에 따라 규칙적으로 변하며, 원자가전자 수가 같은 원소들의 화학적 성질은 비슷하다.
이 4개의 전자가 sp3 하이브리드 오비탈을 형성하는데 탄소와 아주 유사하다.
탄소 : 탄소가 가지는 s와 p 궤도함수는 혼성화를 통해서, 4개의 새로운 sp3 궤도함수를 만들게 된다. 이들 4개의 sp3 궤도함수는 정사면체 배열이 되도록 공간적으로 배향된다.
4개의 sp3 궤도함수는 수소의 s 궤도함수와 전자쌍을 공유하여 4개의 C-H 결합을 형성하고, 정사면체형의 구조를 갖는다.
원자가 분자를 이룰 때에는 '최저'의 에너지 상태에 도달하기 위해서 원자 궤도함수와는 다른 형태의 궤도함수를 사용하는 것은 당연하다고 볼 수 있다.
그래서 혼성화 모형은 분자 형성 시 개별 원자들은 최저 에너지가 되게끔 대응한다고 가정하고 있다.
2주기와 달리 3주기는 측면으로 하는 결합인 π결합을 하기가 어렵습니다. 원자의 크기가 커지면 원자간 거리가 멀어지면서 오비탈이 측면으로는 효과적으로 겹쳐지지 않습니다.
이 때문에 Si는 C에 비해 이중결합이나 삼중결합을 잘 형성하지 않습니다. 마찬가지 이유로 3주기 이상의 원소들도 이중결합이나 삼중결합은 잘 형성하지 않습니다.
Si 원자를 치환하여 결정 안으로 들어가는 혼입된 원자는 SI처럼 sp3-hybridization된다. 이때 Si보다 원자가전자가 하나 적은 13족 원자가 혼입되면, 혼입된 원자의 sp3-hybridization 궤도 함수들 중 전자-비어 있는 궤도함수는 원자가-띠보다 위에 놓이게 된다.
화학자들은 이런 에너지 준위를 doping level이라고 부른다. doping level은 원자가-띠보다 아주 조금 높은 에너지를 갖는다. 따라서 상온의 열 에너지만으로도 원자가-띠의 전자가 이들 혼입 준위로 들뜨게 된다.
전하 운반체가 (+) 전하를 갖는 정공이므로, 이런 유형의 반도체를 양의 값을 나타내는 positive의 첫 글자를 따서 p형 반도체라고 부른다.
고유 반도체 Si는 상온에서 Si 원자 하나 당 전자와 정공을 10^(-10)개씩 갖고 있다.
흔히 사용되는 doping 농도는 10^(-7)정도이고, 이 농도의 혼입제가 거의 이 농도에 해당하는 정공을 만들어내므로, Si 전도도가 100배 정도 증가한다.
1개의 s orbital과 3개의 p orbitals가 함께 hybridize하여 4개의 동등한 orbitals를 형상할 수 있다.
이렇게 형성되어 4면체의 각 모서리 쪽으로 향하고 있는 orbitals는 1개의 s orbital과 3개의 p orbitals가 결합하여 생겼기 때문에 sp3 hybrids라 한다.
이런 hybridization의 개념은 탄소가 어떻게 4개의 동등한 결합을 형성하는지를 설명하지만, 왜 그런 지는 설명이 되지 않는다.
이렇게 되는 이유는 hybrid orbital의 모양에서 찾을 수 있다.
1개의 s orbital이 3개의 p orbitals와 합쳐질 때 그 결과물인 hybrid orbitals는 그 핵을 중심으로 대칭이 아니다.
마치 오뚜기 모양처럼 두 개 중 한 쪽이 더 큰 구 모양을 갖게 된다.
그렇게 함으로써 결합을 할 때, 다른 orbitals과 더 잘 겹쳐지게 되는데 그 결과 sp3 hybrid orbitals는 그 전의 s나 p orbitals 보다 더 강하게 결합할 수 있다.
결국, 자연상태의 s, p orbitals 보다 hybridize되어 변형된 모양으로 더 강한 결합을 할 수 있기 때문이다.
