화학 고2 물질의 구조와 성질

분자 기하 구조

직선형·굽은형·삼각평면형·사면체형 등 분자의 공간적 배열을 VSEPR로 결정하고 모형으로 나타낸다.

중심 원자 주위의 전자쌍들이 서로 최대한 멀어지도록 배치될 때 결정되는, 분자의 3차원 공간 배열입니다.

중심 원자에 풍선 몇 개를 묶어 놓았다고 생각해 보세요. 풍선끼리는 서로 밀어내므로 저절로 가장 멀리 벌어진 모양이 됩니다. 2개면 일직선, 3개면 삼각형, 4개면 사면체 — 분자도 정확히 그렇게 벌어집니다.

쉽게 말하면

분자 기하 구조는 전자쌍 반발 이론(VSEPR)의 결론을 실제 분자 하나하나에 적용한 것입니다. 중심 원자 주위의 전자쌍(결합 전자쌍 + 고립 전자쌍)이 몇 쌍인지를 세면 전자쌍이 벌어지는 뼈대가 정해집니다. 2쌍이면 직선형( $18 0^{\circ}$ ), 3쌍이면 삼각평면형( $12 0^{\circ}$ ), 4쌍이면 사면체형( $109. 5^{\circ}$ )입니다.

그런데 우리가 '분자의 모양'이라고 부르는 것은 원자가 놓인 자리만 본 모양입니다. 고립 전자쌍은 눈에 보이는 원자가 아니므로 모양 이름에서 빠집니다. 그래서 전자쌍이 똑같이 4쌍이어도 $C H_{4}$ 는 사면체형, $N H_{3}$ 는 삼각뿔형, $H_{2} O$ 는 굽은형으로 이름이 달라집니다. 뼈대는 같지만 원자가 채워진 자리가 다른 것입니다.

또 하나, 고립 전자쌍은 한 원자에만 붙어 있어 더 넓게 퍼지므로 결합 전자쌍보다 세게 밉니다. 그래서 고립 전자쌍이 늘어날수록 결합각이 조금씩 좁아집니다. $C H_{4}$ 의 $109. 5^{\circ}$ 에서 $N H_{3}$ 는 약 $10 7^{\circ}$ , $H_{2} O$ 는 약 $104. 5^{\circ}$ 로 줄어드는 이유입니다.

같은 결론을 오비탈 쪽에서 설명하는 것이 혼성 오비탈입니다. 전자쌍 4쌍이면 $s p^{3}$ , 3쌍이면 $s p^{2}$ , 2쌍이면 $s p$ — VSEPR로 센 전자쌍 수와 혼성화가 정확히 짝을 이룹니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$C O_{2}$ — 원자가 3개인데 직선형

$O = C = O, ∠ OCO = 18 0^{\circ}$

중심 탄소에는 고립 전자쌍이 없고, 이중 결합 2개가 붙어 있습니다. 이중 결합이라도 '한 방향으로 뻗은 전자 덩어리 하나'로 세므로 전자쌍 영역은 2개, 따라서 직선형입니다.
예시 2

$H_{2} O$ — 원자 배열은 $C O_{2}$ 와 같은데 굽은형

$∠ HOH \approx 104. 5^{\circ}$

산소에는 결합 전자쌍 2개뿐 아니라 고립 전자쌍 2개가 더 있습니다. 전자쌍 4쌍이 사면체로 벌어지고 그중 두 자리만 수소가 차지하므로, 남은 두 자리가 비어 보이면서 물 분자는 꺾인 모양이 됩니다.
예시 3

$N H_{3}$ — 평면 삼각형이 아니라 삼각뿔형

$∠ HNH \approx 10 7^{\circ}$

질소의 고립 전자쌍 하나가 위쪽을 누르고 있어서, 수소 3개는 아래쪽으로 살짝 눌린 우산 모양이 됩니다. 이 고립 전자쌍이 나중에 산·염기 반응에서 전자쌍을 내주는 자리이기도 합니다.

순서대로 하면

분자 모양 알아내는 순서

1루이스 전자점식을 그려 중심 원자 주위의 결합 전자쌍과 고립 전자쌍을 표시합니다.
2전자쌍 영역의 개수를 셉니다. 이중·삼중 결합은 개수와 상관없이 '한 영역'으로 셉니다.
3영역 개수로 뼈대를 정합니다. 2개는 직선, 3개는 삼각평면, 4개는 사면체입니다.
4그 뼈대에서 고립 전자쌍이 차지한 자리를 지우고, 원자만 남은 모양에 이름을 붙입니다.
5고립 전자쌍이 있으면 결합각이 기본값보다 조금 좁아진다고 보정합니다.

전자쌍이 4쌍인 세 분자 — 뼈대는 같고 모양 이름은 다르다

구분	$C H_{4}$	$N H_{3}$	$H_{2} O$
결합 전자쌍	4	3	2
고립 전자쌍	0	1	2
전자쌍 배열	사면체	사면체	사면체
분자 모양	정사면체형	삼각뿔형	굽은형
결합각	$109. 5^{\circ}$	약 $10 7^{\circ}$	약 $104. 5^{\circ}$

자주 하는 오해

전자쌍의 배열과 분자의 모양을 같은 말로 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움

H_{2} O

는 전자쌍이 4쌍이니까 사면체형 분자다

실제로는전자쌍 배열은 사면체지만, 분자 모양은 굽은형입니다.

모양 이름은 '원자가 어디 있는가'만 봅니다. 고립 전자쌍은 실제로 자리를 차지하고 각도에 영향을 주지만, 눈에 보이는 원자가 아니므로 모양 이름에는 들어가지 않습니다. 이 둘을 구별하지 않으면

N H_{3}

도 사면체라고 답하게 됩니다.

화학식이

A B_{2}

면 무조건 직선형이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C O_{2}

가 직선형이니

H_{2} O

도,

S O_{2}

도 직선형이다

실제로는모양을 정하는 것은 붙어 있는 원자 수가 아니라 중심 원자의 전자쌍 총수입니다.

C O_{2}

는 직선형이지만

H_{2} O

와

S O_{2}

는 굽은형입니다.

C O_{2}

의 탄소에는 고립 전자쌍이 없어 전자쌍 영역이 2개뿐이지만,

H_{2} O

의 산소에는 2쌍,

S O_{2}

의 황에는 1쌍의 고립 전자쌍이 더 있습니다. 이 보이지 않는 전자쌍이 분자를 꺾어 놓습니다. 화학식만 보고 모양을 외우면 반드시 틀립니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전자쌍 반발 이론(VSEPR)고2 혼성 오비탈고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자의 극성고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1이중 결합은 전자쌍이 2개인데 왜 1개로 세나요?

두 전자쌍이 같은 두 원자 사이에 나란히 묶여 있어서, 다른 전자쌍이 보기에는 '한 방향으로 뻗은 하나의 전자 덩어리'처럼 보이기 때문입니다. 방향이 하나이므로 반발을 따질 때도 하나로 셉니다. 다만 전자가 더 많이 몰려 있어 밀어내는 힘은 단일 결합보다 조금 셉니다.

Q2결합각이

109. 5^{\circ}

10 7^{\circ}

104. 5^{\circ}

처럼 딱 떨어지지 않는데 외워야 하나요?

정확한 값을 외우기보다 순서와 이유를 아는 게 중요합니다. 고립 전자쌍이 늘어날수록 결합각이 좁아진다는 흐름만 알면, 시험에서 묻는 '

C H_{4} > N H_{3} > H_{2} O

순서'는 저절로 나옵니다.

Q3분자 모양을 알면 무엇을 알 수 있나요?

분자 전체의 극성을 판단할 수 있습니다. 같은 극성 결합이라도 대칭적으로 배치되면 서로 상쇄되어 무극성 분자가 되고, 꺾여 있으면 상쇄되지 않아 극성 분자가 됩니다. 이것이 물은 극성이고 이산화 탄소는 무극성인 이유입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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