분자 구조와 결합각

핵심 정리

분자 모양은 루이스 구조에서 중심 원자 주위의 전자쌍을 확인하고, 전자쌍 사이의 반발을 최소화하도록 배치해 판단한다. 전자쌍은 서로 밀어내므로 가능한 한 멀리 떨어진다. 중심 원자 주변의 전자쌍을 셀 때 결합 전자쌍과 비공유 전자쌍을 모두 포함하고, 이중 결합이나 삼중 결합도 전자쌍 배치의 개수를 셀 때는 한 방향의 결합 영역으로 취급한다. 중심 원자의 공유 전자쌍 수는 결합 차수의 합으로 정해지므로, 결합한 원자 수와 다를 수 있다.

전자쌍의 배치와 분자 모양은 구분해야 한다. 전자쌍 배치는 중심 원자 주변의 결합 전자쌍과 비공유 전자쌍을 모두 포함한 공간 배열이고, 분자 모양은 원자들이 놓인 배열이다. 따라서 비공유 전자쌍이 있는 경우에도 분자 모양을 정할 때에는 결합한 원자들의 위치를 기준으로 한다. 중심 원자에 결합 전자쌍 2개와 비공유 전자쌍 2개가 있으면 분자 모양은 굽은형이다. 중심 원자 주위 전자쌍이 2개이고 모두 결합 전자쌍이면 분자 모양은 직선형이다.

비공유 전자쌍은 결합 전자쌍보다 반발력이 크다. 중심 원자에 비공유 전자쌍이 있으면 결합 전자쌍 사이의 각이 줄어 이상적인 배열의 각보다 작아진다. 결합각은 비공유 전자쌍 수가 많을수록 작아지는 경향이 있다. 이 경향은 다른 조건을 고려하지 않고 비공유 전자쌍 수만 기계적으로 비교하라는 뜻이 아니다. 전자쌍 전체의 수와 종류를 함께 판단한다.

기본 모양과 결합각은 중심 원자 주위의 전자쌍 배치에서 정해진다. 결합 전자쌍만 두 개이면 직선형, 결합 전자쌍만 세 개이면 평면 삼각형, 결합 전자쌍만 네 개이면 정사면체형이다. 비공유 전자쌍이 섞이면 원자 배열이 달라질 수 있다. 예를 들어 결합 전자쌍 세 개와 비공유 전자쌍 한 개는 삼각뿔형이고, 결합 전자쌍 두 개와 비공유 전자쌍 두 개는 굽은형이다. 결합각은 직선형에서 180°, 평면 삼각형에서 120°, 정사면체형에서 약 109.5°이다.

자세히

분자 구조 문제는 모양을 눈대중으로 고르는 것이 아니라, 루이스 구조에서 시작해 중심 원자 주위의 전자쌍을 정리하는 순서로 푼다. 먼저 분자식과 결합 정보를 이용해 루이스 구조를 그린다. 중심 원자와 주변 원자가 어떻게 결합하는지 표시하고, 옥텟 규칙을 만족시키는 데 필요한 비공유 전자쌍을 빠뜨리지 않는다. 비공유 전자쌍 수는 루이스 구조에서 옥텟 규칙을 만족하도록 그린 구조로부터 결정된다. 구조가 정해지기 전에 분자식만 보고 중심 원자의 비공유 전자쌍 수를 임의로 정하면 안 된다.

다음으로 중심 원자에 연결된 결합 방향과 비공유 전자쌍을 센다. 단일 결합은 한 결합 영역으로 보고, 이중 결합과 삼중 결합도 중심 원자 주위의 배치를 정할 때 하나의 결합 방향으로 다룬다. 결합 차수가 높다고 해서 결합한 원자 수가 늘어나는 것은 아니다. 예를 들어 중심 원자에 주변 원자 두 개가 연결되어 있다면 공유 전자쌍 수는 두 결합의 결합 차수에 따라 달라진다. 다중 결합도 공유 전자쌍을 셀 때 포함하지만, 결합 방향을 여러 개로 세어 모양을 정하지 않는다. 이때 비공유 전자쌍까지 포함해 중심 원자 주변의 전체 전자쌍 배치를 판단한다.

전자쌍 배치가 정해지면 전자쌍끼리 가장 멀어지는 공간 배열을 찾는다. 전자쌍은 음전하를 띤 전자들의 영역이므로 서로 반발하고, 반발이 작아지는 방향으로 놓인다. 두 영역은 서로 반대쪽을 향해 직선으로 놓이고, 세 영역은 한 평면에서 서로 벌어지며, 네 영역은 공간에서 서로 최대한 떨어지는 배열을 이룬다. 따라서 전자쌍 수는 중심 원자 주위의 기본 배열을 결정하는 핵심 정보다. 다만 전자쌍의 종류가 다르면 반발력도 같지 않으므로, 전자쌍 수만 센 뒤 곧바로 정확한 결합각을 확정하지 않는다.

그다음 전자쌍 배치에서 비공유 전자쌍을 제외하고 원자들만 연결해 분자 모양을 정한다. 이 구분은 시험에서 자주 쓰인다. 전자쌍 전체가 네 쌍인 경우 중심 원자 주위의 기본 배치는 정사면체형이지만, 그 가운데 결합 전자쌍이 몇 개인지에 따라 분자의 모양은 달라진다. 결합 전자쌍 네 개라면 정사면체형이고, 세 개와 비공유 전자쌍 하나라면 삼각뿔형이며, 두 개와 비공유 전자쌍 두 개라면 굽은형이다. 전자쌍 배치가 같다고 분자 모양까지 반드시 같다고 판단할 수 없는 까닭은 비공유 전자쌍이 원자로 표시되지 않기 때문이다.

각 모양과 결합각을 연결할 때에는 결합각이 중심 원자에서 두 결합 방향 사이에 만들어지는 각임을 기억한다. 직선형은 양쪽 결합 방향이 반대이므로 180°이고, 평면 삼각형은 세 결합 방향이 한 평면에서 고르게 벌어져 120°를 이룬다. 정사면체형의 결합각은 약 109.5°이다. 이는 사면체형 탄소 원자의 결합각에도 적용된다. 결합각을 원자 수에 비례해 정하는 것이 아니라 전자쌍 배열의 형태에 맞춰야 한다. 비공유 전자쌍이 없는 중심 원자에서도 결합 수가 많아질수록 각이 무조건 커지는 것이 아니라 구조에 따라 결합각이 정해진다.