분자의 극성과 쌍극자 모멘트

핵심 정리

결합의 극성은 결합한 두 원자 사이에서 공유 전자쌍이 어느 쪽으로 치우치는지를 나타낸다. 공유 결합을 한 원자들의 전기 음성도가 다르면 전자쌍은 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 더 치우치므로 결합에 극성이 생긴다. 같은 원소 원자끼리 한 공유 결합은 전기 음성도 차가 0이므로 무극성 결합이다.

분자 전체의 극성은 결합의 극성만으로 정해지지 않는다. 결합의 방향과 분자 모양을 함께 살펴 각 결합의 쌍극자 모멘트가 서로 더해지는지, 상쇄되는지 판단해야 한다. 결합 쌍극자 모멘트의 합이 0이 아니면 극성 분자이다. 분자의 쌍극자 모멘트가 0이 아니면 극성 분자이다.

분자의 쌍극자 모멘트는 분자 안에서 전하가 치우친 정도와 방향을 나타내는 벡터량이다. 각 결합의 극성이 대칭적으로 상쇄되면 분자 전체의 쌍극자 모멘트는 0이 되고, 분자는 무극성이 된다. 따라서 결합에 극성이 있는지와 분자 전체가 극성인지는 따로 판단해야 한다.

분자 모양이 대칭이면 결합의 극성이 상쇄되어 무극성 분자가 될 수 있다. 비대칭 구조라도 결합이 모두 무극성이면 분자 전체의 쌍극자 모멘트가 0일 수 있으므로, 모양만으로 극성을 단정하지 않는다. 결합의 극성과 방향을 확인해 쌍극자 모멘트의 합을 판단한다. 분자의 극성은 결합의 극성과 분자 모양을 함께 살펴 결정한다.

자세히

먼저 결합 하나의 극성과 분자 전체의 극성을 구별한다. 두 원자가 공유 결합을 할 때 전기 음성도가 큰 원자는 공유 전자쌍을 더 강하게 끌어당긴다. 전자쌍이 결합의 한쪽으로 치우치면 그 결합에는 방향을 가진 쌍극자 모멘트가 생긴다. 결합 쌍극자 모멘트는 결합의 극성을 나타내며, 결합축을 따라 작용한다고 볼 수 있다. 그러나 결합이 극성이라는 사실만으로 분자 전체가 극성이라고 결론 내릴 수는 없다. 분자 안의 여러 결합이 만드는 효과가 서로 상쇄될 수 있기 때문이다.

분자 전체의 쌍극자 모멘트를 판단할 때는 구조식에서 중심 원자와 결합한 원자들을 확인하고, 각 결합이 극성인지 살핀다. 이어서 분자 모양에 맞게 결합의 방향을 파악한다. 마지막으로 결합 쌍극자들이 서로 상쇄되는지, 한쪽 방향의 효과가 남는지 판단한다. 합이 0이면 무극성 분자이고, 0이 아니면 극성 분자이다. 그러므로 결합의 개수만 세거나 극성 결합이 하나라도 있는지만 확인해서는 분자 극성을 결정할 수 없다. 중심 원자에 비공유 전자쌍이 있는지, 결합 원자들이 어떻게 배치되었는지도 구조를 파악하는 단서로 삼되, 최종 판단은 분자 모양과 결합 쌍극자의 합으로 한다.

대칭 구조에서는 같은 종류의 극성 결합이 대칭적으로 놓여 결합 쌍극자의 효과가 서로 상쇄될 수 있다. 이때 결합 자체는 극성이어도 분자 전체에는 한쪽으로 치우친 전하가 남지 않는다. 비대칭 구조에서는 결합 쌍극자가 상쇄되지 않을 수 있지만, 비대칭이라는 이유만으로 극성이라고 단정할 수는 없다. 결합이 무극성이면 분자 쌍극자 모멘트의 합이 0일 수 있기 때문이다. 따라서 결합의 극성과 방향을 확인해 최종 판단한다.

직선형 분자에서는 양쪽 결합이 서로 반대 방향으로 놓일 수 있다. 두 결합의 극성이 같고 방향이 반대라면 효과가 상쇄되어 무극성 분자가 된다. 그렇다고 직선형 분자가 모두 무극성인 것은 아니다. 양쪽 결합의 종류나 극성이 달라 효과가 상쇄되지 않으면 분자 전체의 쌍극자 모멘트가 남을 수 있다. 직선형인지뿐 아니라 양쪽 결합의 종류와 방향도 확인해야 한다.