화학 고2 물질의 구조와 성질

전자쌍 반발 이론(VSEPR)

Q: 왜 하필 정사면체인가요? 평면 십자(정사각형)면 안 되나요?

평면에서 네 방향으로 벌리면 각도가 90지만, 3차원 정사면체로 벌리면 109.5까지 벌어집니다. 전자쌍은 조금이라도 더 멀어질 수 있는 쪽을 택하므로 평면이 아니라 입체가 됩니다.

중심 원자 주변 전자쌍이 반발을 최소화하는 방향으로 배열된다는 원리로 분자의 입체 구조를 예측한다.

중심 원자 주위의 전자쌍들이 서로 밀어내므로, 전자쌍끼리 최대한 멀어지는 배열이 실제 분자의 모양이 된다는 이론입니다.

풍선 여러 개를 매듭 하나로 묶어 보세요. 손을 놓으면 풍선들이 알아서 서로 가장 멀어지는 방향으로 벌어집니다. 2개면 일직선, 3개면 삼각형, 4개면 정사면체 — 분자도 똑같습니다.

쉽게 말하면

루이스 전자점식으로 전자쌍을 다 세었다면, 이제 그것들을 3차원에 배치할 차례입니다. 전자쌍은 모두 $(-)$ 전하라 서로 밀어냅니다. 그러니 가장 안정한 배열은 전자쌍들이 서로 최대한 멀어진 배열입니다.

중심 원자 주위의 전자쌍 수만 세면 배열이 정해집니다. 2개면 직선형( $18 0^{\circ}$ ), 3개면 평면 삼각형( $12 0^{\circ}$ ), 4개면 정사면체( $109. 5^{\circ}$ )입니다.

여기서 반드시 구분해야 할 것이 있습니다. 전자쌍의 배열과 분자의 모양은 다릅니다. 우리 눈에 보이는(그리고 실험으로 재는) 것은 원자의 위치이지 전자쌍의 위치가 아닙니다. 비공유 전자쌍은 배열은 차지하지만 모양에는 나타나지 않습니다.

$C H_{4} (비공유 0) \to 정사면체, N H_{3} (1) \to 삼각뿔, H_{2} O (2) \to 굽은형$

셋 다 전자쌍은 4개이고 배열은 정사면체인데, 비공유 전자쌍을 지우고 원자만 남기면 모양이 전혀 달라집니다.

마지막으로 반발의 세기에 순서가 있습니다. 비공유 전자쌍은 한 원자에만 붙들려 있어 더 넓게 퍼지므로 더 세게 밀어냅니다.

$비공유 - 비공유 > 비공유 - 공유 > 공유 - 공유$

그래서 결합각이 $C H_{4} (109. 5^{\circ}) > N H_{3} (10 7^{\circ}) > H_{2} O (104. 5^{\circ})$ 순으로 조금씩 좁아집니다. 비공유 전자쌍이 하나 늘 때마다 결합각이 눌리는 것입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전자쌍 4개, 세 가지 모양

$C H_{4}$ 는 비공유 전자쌍이 없어 정사면체, $N H_{3}$ 는 1개라 삼각뿔, $H_{2} O$ 는 2개라 굽은형입니다. 전자쌍의 배열은 셋 다 정사면체로 같고, 다른 것은 '어느 꼭짓점에 원자가 있느냐'뿐입니다.
예시 2

$C O_{2}$ 가 직선인 이유

$O = C = O (18 0^{\circ})$

탄소 주위에 2중 결합이 둘 있습니다. 2중 결합은 전자쌍 2개지만 한 방향으로 묶여 있으므로 하나의 전자 덩어리로 셉니다. 즉 밀어내는 방향이 2개뿐이라 가장 멀어지는 배열은 일직선입니다.
예시 3

$B F_{3}$ vs $N H_{3}$

$B F_{3}$ 는 붕소 주위에 결합 전자쌍 3개뿐(비공유 0)이라 평면 삼각형입니다. $N H_{3}$ 는 결합 3개에 비공유 1개가 더 있어 전자쌍이 4개라 삼각뿔입니다. 붙어 있는 원자 수가 똑같이 3개인데 모양이 다른 것은, 보이지 않는 전자쌍 하나 때문입니다.

자주 하는 오해

전자쌍의 배열을 그대로 분자의 모양이라고 부르기

이렇게 생각하기 쉬움

H_{2} O

는 전자쌍이 4개니까 정사면체형이다

실제로는

H_{2} O

의 전자쌍 배열은 정사면체지만 분자의 모양은 굽은형입니다.

분자의 모양은 '원자들이 어디에 있는가'로만 말합니다. 비공유 전자쌍은 배치에는 참여하지만 그 자리에 원자가 없으므로 모양의 이름에는 들어가지 않습니다. 그래서 답을 쓰기 전에 항상 두 번 세야 합니다 — 먼저 전자쌍을 세어 배열을 정하고, 그다음 원자만 남겨 이름을 붙입니다.

2중·3중 결합을 전자쌍 2개·3개로 따로 세기

이렇게 생각하기 쉬움

C O_{2}

는 2중 결합이 2개니까 전자쌍이 4개, 그러니 정사면체다

실제로는다중 결합은 전자쌍이 여러 개여도 한 방향으로 묶여 있어 하나의 영역으로 셉니다.

C O_{2}

는 밀어내는 영역이 2개라 직선형입니다.

VSEPR가 세는 것은 전자의 개수가 아니라 서로 밀어내는 방향의 개수입니다. 2중 결합의 두 전자쌍은 같은 두 원자 사이에 붙어 있어 따로 흩어질 수 없습니다. 풍선 하나가 조금 더 뚱뚱해질 뿐 풍선의 개수가 늘지는 않는 것과 같습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

루이스 전자점식고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 기하 구조고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1왜 하필 정사면체인가요? 평면 십자(정사각형)면 안 되나요?

평면에서 네 방향으로 벌리면 각도가

9 0^{\circ}

지만, 3차원 정사면체로 벌리면

109. 5^{\circ}

까지 벌어집니다. 전자쌍은 조금이라도 더 멀어질 수 있는 쪽을 택하므로 평면이 아니라 입체가 됩니다.

Q2비공유 전자쌍이 왜 더 세게 밀어내나요?

결합 전자쌍은 두 원자핵에게 양쪽에서 붙들려 가늘게 모여 있지만, 비공유 전자쌍은 한 원자핵만 붙잡고 있어 더 넓게 퍼져 있습니다. 부피가 큰 만큼 이웃 전자쌍을 더 세게 밀어내고, 그래서 결합각이 눌립니다.

Q3VSEPR로 예측한 모양이 항상 맞나요?

간단한 분자에서는 놀랄 만큼 잘 맞습니다. 다만 결합각의 정확한 값까지 예측하지는 못하고 '조금 좁아진다'는 경향만 말해 줍니다. 정확한 각도는 실험으로 측정합니다.

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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전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수의 조합으로 나오는 모양들을 한자리에 모아 이름 붙인 것이 분자 기하 구조입니다.

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