분자궤도함수론 (Molecular Orbital Theory)
쉽게 풀면
두 사람이 손을 맞잡아 하나의 팀을 이루면, 그 손은 더 이상 한 사람만의 것이 아니라 두 사람이 함께 쓰는 것이 됩니다. 분자궤도함수론은 원자 두 개가 결합해 분자를 만들 때, 각 원자에 따로 있던 전자의 궤도가 합쳐져서 분자 전체를 아우르는 새로운 궤도(분자 오비탈)를 만든다고 봅니다. 이렇게 만들어진 분자 오비탈에는 결합을 강하게 만드는 '결합 오비탈'과 오히려 결합을 약하게 만드는 '반결합 오비탈'이 있으며, 전자가 어느 오비탈에 몇 개나 채워지는지에 따라 분자가 안정적으로 존재할 수 있는지, 자석에 붙는 성질(자성)이 있는지 등이 결정됩니다.
왜 중요한가
분자궤도함수론은 자성, 흡수 스펙트럼, 반응성처럼 전자가 분자 전체에 걸쳐 어떻게 분포하는지에 좌우되는 현상을 설명할 수 있는 이론적 틀이기 때문에, 이론화학뿐 아니라 재료화학, 촉매화학, 유기전자소재 개발 논문에서도 계산 및 설계의 기초로 널리 쓰입니다. 특히 컴퓨터 시뮬레이션으로 분자의 전자구조를 예측해 실제 합성 전에 물성을 가늠하는 계산화학 연구에서 핵심적인 이론적 근거가 됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
이 문장은 컴퓨터 계산을 통해 분자의 전자 궤도 구조를 분석한 결과, 전자가 채워진 가장 높은 궤도와 비어 있는 가장 낮은 궤도 사이의 에너지 차이가 줄어들어 전기가 더 잘 통할 것으로 예상된다는 뜻입니다. 재료화학, 유기전자소재, 촉매 설계 논문에서 분자의 전자적 성질을 설명할 때 흔히 사용됩니다.
기초화학 및 무기화학 논문에서는 원자가결합이론으로는 설명하기 어려운 산소의 자성을 분자궤도함수론이 명확히 설명해 준다는 예로 흔히 인용됩니다.
촉매화학 연구에서는 금속 착물의 전자구조가 반응성에 미치는 영향을 분자궤도함수론 계산으로 정량화해 촉매 설계에 활용한다는 뜻입니다.
조금 더 깊게 보면
분자궤도함수론에서는 원자 오비탈이 선형결합(LCAO)이라는 수학적 방법으로 조합되어 분자 오비탈을 형성한다고 봅니다. 이때 만들어지는 분자 오비탈 중 에너지가 낮아 안정한 것을 결합성 오비탈, 에너지가 높아 불안정한 것을 반결합성 오비탈이라 부르며, 특별히 에너지 변화 없이 원자 오비탈의 성질을 그대로 유지하는 비결합성 오비탈도 존재합니다. 전자가 채워진 가장 높은 준위(HOMO)와 비어 있는 가장 낮은 준위(LUMO)의 에너지 차이는 분자의 반응성이나 빛 흡수 특성을 가늠하는 중요한 지표로, 계산화학 논문에서 자주 보고되는 값입니다.
주의할 점
분자궤도함수론은 전자쌍이 두 원자 사이에 국한된다고 보는 공유결합의 단순한 그림(원자가결합이론)과는 다른 접근입니다. 전자를 분자 전체에 걸쳐 비편재화된 것으로 다루기 때문에, 자성이나 스펙트럼처럼 원자가결합이론으로 설명하기 어려운 현상을 더 잘 설명할 수 있습니다.