서울대학교, 화학실험, 만점, A+, 계산화학실습 결과보고서

문서 내 토픽

• 1. 계산화학

  분자 수준의 관찰은 컴퓨터를 통해 이루어지며, 이를 계산화학이라 한다. 본 실험에서는 Xshell과 Avogadro 프로그램을 통해 6개의 분자 CH4, C2H2, C2H4, H2O, H2S, H2Se의 bond length, angel, monomer와 dimer 형태에서 energy를 통한 분자 간 interaction, 분자의 구조 및 오비탈 구조를 관찰하였다. 이를 통해 원자 번호가 클 수록, 결합의 길이가 감소하며, 비공유 전자쌍이 공유 전자쌍보다 큰 반발력 가지고, 분자 간 수소결합이 가장 강한 것을 알 수 있었다. 이를 통해 계산 화학 수준에서 기초적인 개념을 익힐 수 있었다.

• 2. 분자 구조

  6개의 분자들의 monomer과 dimer 구조 및 형태는 Fig 1에서, 구성한 각 원자들의 정확한 위치는 Supporting Information Table 1를 통해 확인할 수 있다. CH4는 tetrahedral로 약 109.5의 angle을 가지며, C2H2는 linear로 약 180, C2H4는 trigonal planer로 약 122, 116, H2O, H2S, H2Se는 모두 bent로 약 100 내외의 값을 가지며, O의 전기음성도가 가장 크기 때문에, H2O, H2S, H2Se 중에서 H2O의 angle이 가장 크다. 이들의 각도와 분자 구조는 VSEPR과 VB 이론과 일치함을 확인할 수 있다.

• 3. 분자 오비탈

  CH4는 4개의 결합, C2H2는 +2π+ , C2H4는 +2π+ , H2O와 H2S, H2Se 2개의 결합으로 분자 구조를 이루고 있으며, 이들의 결합 오비탈과 반결합 오비탈에 존재하는 전자수와 이에 따른 결합차수는 Table 2와 같다. 결합차수가 가장 큰 C2H2가 가장 강한 결합을 가지고 있음을 알 수 있다. 또한 이들의 분자 오비탈 구조를 Fig 2에서 확인할 수 있다.

• 4. 분자 간 상호작용

  Dimer 내 작용하는 분자간의 힘은 monomer에서의 energy와 dimer에서의 energy 값을 통하여 구하였으며(Table 3), H2O의 분자 간 힘이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 각 분자 간 주된 힘은 CH4는 비극성 분자로, 분자 간 분산력이 존재하며 H2O는 수소결합, H2S와 H2Se는 쌍극자 상호작용과 분산력이 존재한다. 수소결합이 다른 힘들에 비해 가장 분자 힘으로, H2O의 interaction E가 가장 크고, 분산력과 순간 쌍극자 힘이 존재하는 CH4의 interaction E가 가장 작다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 계산화학

  계산화학은 컴퓨터 기술과 화학 이론을 결합하여 화학 현상을 이해하고 예측하는 학문입니다. 이 분야는 실험적으로 접근하기 어려운 화학 시스템을 모델링하고 시뮬레이션할 수 있게 해줍니다. 계산화학은 새로운 물질 개발, 반응 메커니즘 규명, 분자 구조 예측 등 다양한 화학 문제를 해결하는 데 활용되고 있습니다. 특히 나노 및 바이오 분야에서 계산화학의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다. 계산화학은 실험 데이터와 이론적 모델을 결합하여 화학 현상에 대한 깊이 있는 이해를 제공하며, 이를 통해 화학 연구의 효율성과 생산성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 2. 분자 구조

  분자 구조는 화학의 핵심 주제 중 하나입니다. 분자 구조를 이해하는 것은 물질의 성질과 반응성을 예측하는 데 필수적입니다. 분자 구조는 원자들이 어떻게 결합하여 공간적 배열을 이루고 있는지를 나타냅니다. 이를 통해 분자의 극성, 결합각, 결합길이 등의 특성을 파악할 수 있습니다. 분자 구조 연구는 화학, 생물학, 재료과학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 신약 개발에서는 타깃 단백질의 구조를 이해하여 효과적인 약물을 설계할 수 있습니다. 또한 신소재 개발에서도 분자 구조 분석은 필수적입니다. 따라서 분자 구조에 대한 깊이 있는 이해는 화학 연구의 핵심이라고 할 수 있습니다.

• 3. 분자 오비탈

  분자 오비탈은 화학 결합을 이해하는 데 핵심적인 개념입니다. 분자 오비탈은 원자 오비탈이 결합하여 형성된 분자 내부의 전자 궤도를 나타냅니다. 분자 오비탈 이론은 화학 결합의 성질, 분자의 안정성, 반응성 등을 설명할 수 있는 강력한 도구입니다. 이를 통해 화학 반응의 메커니즘을 이해하고 예측할 수 있습니다. 또한 분자 오비탈 이론은 양자 역학에 기반하고 있어 화학과 물리학의 연결고리 역할을 합니다. 최근에는 계산화학 기술의 발달로 복잡한 분자 시스템의 오비탈 구조를 정밀하게 분석할 수 있게 되었습니다. 이는 화학 연구의 지평을 크게 확장시키고 있습니다. 따라서 분자 오비탈에 대한 깊이 있는 이해는 화학 연구에 필수적이라고 할 수 있습니다.

• 4. 분자 간 상호작용

  분자 간 상호작용은 화학과 생물학에서 매우 중요한 개념입니다. 분자 간 상호작용은 분자들 사이에 작용하는 다양한 힘에 의해 발생하며, 이는 물질의 물리화학적 성질과 생물학적 기능을 결정하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 대표적인 분자 간 상호작용에는 수소 결합, 반데르발스 힘, 정전기적 상호작용 등이 있습니다. 이러한 상호작용은 단백질 구조, 효소-기질 결합, 약물-표적 결합 등 생물학적 과정에서 중요한 기능을 합니다. 또한 신소재 개발, 촉매 반응, 분리 공정 등 다양한 화학 분야에서도 분자 간 상호작용은 핵심적인 요소입니다. 최근 계산화학 기술의 발달로 분자 간 상호작용을 정량적으로 예측할 수 있게 되었으며, 이는 화학 및 생물학 연구에 큰 기여를 하고 있습니다. 따라서 분자 간 상호작용에 대한 깊이 있는 이해는 화학 및 생물학 연구에 필수적입니다.