화학 고2 물질의 구조와 성질

분자의 극성

Q: 세포막은 왜 극성과 관련이 있나요?

세포막을 이루는 인지질은 극성인 머리와 무극성인 꼬리를 함께 가진 분자입니다. 물속에 놓이면 극성 머리는 물 쪽을 향하고 무극성 꼬리는 서로 안쪽으로 숨어 저절로 두 겹 막을 이룹니다. 극성과 무극성이 섞이지 않는 성질이 생명의 경계선을 만든 셈입니다.

결합 극성과 분자 기하 구조의 조합으로 분자 전체의 쌍극자 모멘트가 있는지 판단한다.

분자 안의 결합 쌍극자들을 벡터로 모두 더했을 때 0이 아니면 극성 분자, 서로 상쇄되어 0이면 무극성 분자입니다.

줄다리기와 같습니다. 양쪽에서 똑같은 힘으로 정반대로 당기면(대칭) 줄은 제자리에 있고, 한쪽으로 치우치면 줄이 끌려갑니다. 결합이 아무리 세게 당겨도 방향이 서로 지워지면 분자 전체는 중립처럼 행동합니다.

쉽게 말하면

분자의 극성은 두 가지를 모두 알아야 판단할 수 있습니다. 하나는 결합의 극성, 즉 결합 하나하나가 전자를 한쪽으로 끌고 있는가입니다. 다른 하나는 분자 기하 구조, 즉 그 결합들이 공간에 어떻게 놓여 있는가입니다. 둘 중 하나만 봐서는 절대 답이 나오지 않습니다.

결합 하나가 만드는 전하의 치우침을 쌍극자 모멘트라 하고, 이것은 크기와 방향을 함께 갖는 벡터입니다. 분자 전체의 쌍극자 모멘트는 이 벡터들의 합입니다. $C O_{2}$ 는 $C = O$ 결합이 분명히 극성이지만 두 결합이 정확히 반대 방향으로 뻗어 있어 합이 0이 되고, 결과적으로 무극성 분자입니다. 반면 $H_{2} O$ 는 같은 두 개의 극성 결합이 약 $104. 5^{\circ}$ 로 꺾여 있어 상쇄되지 않고, 산소 쪽이 부분 음전하를 띠는 강한 극성 분자가 됩니다.

이 차이가 실제 성질로 이어집니다. 극성 분자끼리는 서로 잡아당기므로 잘 섞이고, 무극성 분자끼리도 잘 섞이지만, 극성과 무극성은 잘 섞이지 않습니다. 물과 기름이 층을 이루는 것, 소금이 물에는 녹고 기름에는 안 녹는 것이 전부 이 이야기입니다. 극성 분자는 서로를 끌어당기는 힘이 더 세므로 비슷한 크기의 무극성 분자보다 끓는점도 높습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$C O_{2}$ 와 $H_{2} O$ — 결합은 둘 다 극성인데 결과가 다르다

탄소와 산소의 전기음성도 차이, 수소와 산소의 전기음성도 차이 모두 상당합니다. 그런데 $C O_{2}$ 는 직선형이라 두 결합 쌍극자가 정면으로 맞서 지워지고, $H_{2} O$ 는 굽은형이라 두 쌍극자가 아래쪽으로 합쳐집니다. 결합의 극성이 같아도 모양이 결론을 바꿉니다.
예시 2

$CC l_{4}$ 는 무극성, $CHC l_{3}$ 는 극성

$CC l_{4}$ 는 사면체 네 꼭짓점에 똑같은 염소가 붙어 있어 네 쌍극자가 완벽히 상쇄됩니다. 그런데 염소 하나를 수소로 바꾼 $CHC l_{3}$ 는 모양은 여전히 사면체지만 한 자리만 다른 원자이므로 균형이 깨져 극성이 됩니다. 사면체라고 다 무극성이 아닙니다.
예시 3

왜 기름때는 물로 안 지워지는가

기름은 긴 탄화수소 사슬로 된 무극성 분자입니다. 물 분자끼리는 서로 강하게 끌어당기는데 기름 분자에는 붙잡을 곳이 없어, 물은 차라리 물끼리 뭉치고 기름을 밀어냅니다. 비누는 한쪽 끝이 극성, 반대쪽 끝이 무극성이라 양쪽을 동시에 붙잡아 기름을 물에 실어 보냅니다.

순서대로 하면

분자가 극성인지 판단하는 순서

1루이스 전자점식을 그리고 중심 원자의 고립 전자쌍까지 표시합니다.
2각 결합의 극성을 봅니다. 결합이 전부 무극성이면(같은 원자끼리) 분자도 무극성입니다.
3전자쌍 수로 분자 모양을 정합니다.
4결합 쌍극자를 화살표로 그려 벡터 합을 봅니다. 중심 원자에 고립 전자쌍이 없고 주위 원자가 모두 같으면 대개 상쇄되어 무극성입니다.
5고립 전자쌍이 있거나 주위 원자가 서로 다르면 상쇄가 깨져 극성입니다.

극성 분자와 무극성 분자

구분	극성 분자	무극성 분자
쌍극자 모멘트 합	0이 아님	0
예	$H_{2} O$ , $N H_{3}$ , $HCl$ , $CHC l_{3}$	$C O_{2}$ , $C H_{4}$ , $CC l_{4}$ , $N_{2}$
잘 녹는 용매	물 같은 극성 용매	헥세인 같은 무극성 용매
분자 간 힘	쌍극자-쌍극자 힘(수소 결합 가능)	분산력만
같은 분자량일 때 끓는점	상대적으로 높음	상대적으로 낮음

자주 하는 오해

결합이 극성이면 분자도 극성이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C O_{2}

는

C = O

결합이 극성이니까 극성 분자다

실제로는

C O_{2}

는 극성 결합만으로 이루어져 있지만 분자 전체로는 무극성입니다.

쌍극자 모멘트는 벡터입니다. 크기가 같고 방향이 정반대인 두 벡터를 더하면 0입니다. 결합의 극성은 '재료'일 뿐이고, 그 재료를 어떻게 배치했는지(분자 모양)가 최종 답을 정합니다. 분자 모양을 보지 않고 답한다면 절반만 푼 것입니다.

대칭적으로 생겼으면 무조건 무극성이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

CHC l_{3}

는

CC l_{4}

처럼 사면체니까 무극성이다

실제로는

CHC l_{3}

는 사면체 모양이지만 극성 분자입니다.

'대칭'은 모양이 사면체인가가 아니라, 중심 원자 주위의 원자가 모두 같고 고립 전자쌍이 없어서 쌍극자가 서로 지워지는가를 뜻합니다.

CHC l_{3}

는 네 자리 중 하나만 수소여서 그쪽으로 끌어당기는 힘이 약해지고, 균형이 깨져 염소 쪽으로 치우친 쌍극자가 남습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

결합의 극성고2 분자 기하 구조고2 쌍극자 모멘트고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 간 힘고3 수소 결합고3 쌍극자-쌍극자 힘고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

세포막고3

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1고립 전자쌍이 있으면 항상 극성 분자인가요?

대부분 그렇지만 예외가 있습니다. 고립 전자쌍끼리도 대칭적으로 마주 보고 있으면 상쇄될 수 있습니다. 그래도 학교에서 다루는 범위에서는 '중심 원자에 고립 전자쌍이 있으면 극성일 가능성이 매우 높다'고 봐도 무리가 없습니다.

Q2무극성 분자끼리는 서로 아무 힘도 작용하지 않나요?

아닙니다. 무극성 분자에도 전자가 순간순간 한쪽으로 몰리면서 아주 짧은 시간 동안 쌍극자가 생깁니다. 이 힘 덕분에 무극성 분자도 온도를 충분히 낮추면 액체가 되고 고체가 됩니다. 다만 그 힘이 약해서 끓는점이 낮을 뿐입니다.

Q3세포막은 왜 극성과 관련이 있나요?

세포막을 이루는 인지질은 극성인 머리와 무극성인 꼬리를 함께 가진 분자입니다. 물속에 놓이면 극성 머리는 물 쪽을 향하고 무극성 꼬리는 서로 안쪽으로 숨어 저절로 두 겹 막을 이룹니다. 극성과 무극성이 섞이지 않는 성질이 생명의 경계선을 만든 셈입니다.

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

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

오류 신고하기

극성 분자끼리 서로 끌어당기는 힘이 쌍극자-쌍극자 힘이고, 그중 특별히 강한 것이 수소 결합입니다. 분자 간 힘으로 이어서 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

분자의 극성 지도에서 확인하기 →