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.

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.