혼성은 오비탈을 섞어 새 방향을 만든다
탄소는 왜 늘 네 방향으로 결합할까요. 순수한 s 오비탈과 p 오비탈만으로는 메테인의 반듯한 사면체 각을 설명할 수 없어요. 혼성은 한 원자 안의 s와 p 오비탈을 섞어, 에너지가 같고 특정 방향을 가리키는 새 오비탈을 만드는 아이디어예요. 섞는 s와 p의 비율이 오비탈이 가리키는 방향의 개수와 각도를 정하죠. sp는 일직선, sp²는 평면 삼각형, sp³는 사면체가 돼요.
s 오비탈은 방향이 없는 공이고, p 오비탈은 앞뒤로 뻗은 두 방울이에요. 슬라이더로 s 성분을 조금씩 섞어 봐요. s가 앞쪽 방울에는 더해지고 뒤쪽 방울에서는 상쇄되면서, 한쪽은 커지고 반대쪽은 작아진 혼성 오비탈이 돼요. 이렇게 방향이 뚜렷해진 오비탈이라야 멀리 뻗어 결합을 잘 이룰 수 있어요.
섞는 오비탈의 개수가 방향의 개수를 정해요. s 하나에 p 하나를 섞으면 sp 두 방향이 정반대로 180도, p 둘이면 sp² 세 방향이 평면에서 120도, p 셋이면 sp³ 네 방향이 사면체로 109.5도예요. 버튼을 눌러 같은 원자의 오비탈들이 서로를 최대한 밀어내며 어떤 각으로 자리 잡는지 봐요.
메테인을 직접 지어 봐요. 탄소는 sp³ 오비탈 네 개를 사면체 방향으로 내밀고 있어요. 수소를 하나씩 붙이면 수소의 s 오비탈이 각 sp³ 방울과 정면으로 겹쳐 σ 결합이 생겨요. 네 개가 다 붙으면 완전히 대칭인 CH₄가 되고, 모든 H-C-H 각은 109.5도로 딱 맞아떨어져요.
에틸렌의 이중 결합을 뜯어봐요. 두 탄소는 sp² 혼성이라 σ 결합 하나로 정면에서 이어져요. 그런데 각 탄소에는 혼성에 쓰지 않은 p 오비탈이 하나씩 평면에 수직으로 남아 있어요. 이 둘이 옆면끼리 겹쳐 분자 평면 위아래에 π 결합을 만들죠. π 겹침을 유지하려면 두 탄소가 같은 평면에 있어야 해서, 이중 결합은 평평하고 마음대로 비틀 수 없어요.
결합각은 혼성에 든 s 성분에 따라 부드럽게 달라져요. s 성분이 25%면 sp³의 109.5도, 33%면 sp²의 120도, 50%면 sp의 180도로 이어져요. s 성분이 많을수록 오비탈이 더 넓게 벌어지죠. 슬라이더를 밀어 s 성분과 결합각이 함께 움직이는 걸 보면, 왜 s 성분이 몰리는 쪽 각이 넓어지는지, 벤트 규칙의 감각이 잡혀요.