[화학결합과 분자구조] 분자의 구조








  

분자의 구조



우리가 분자의 루이스 구조를 그릴 수 있다면 분자의 대략적인 삼차원 구조를 예측하는 것은 의외로 간단하다. 분자의 삼차원구조를 예측하는 가장 쉬운 방법은 원자가전자쌍이 서로 반발한다는 가설을 이용하는 것이다. VSEPR (valence shell electron pair repulsion, 원자가 전자쌍 반발)이라고 불리는 이 방법에 의하면 중심원자에 결합하고 있는 원자들의 공간 배치는 중심원자에 있는 전자쌍의 수에 의해 결정된다. 



그림 1 풍선을 이용한 VSEPR 이론의 설명


전자쌍의 수를 풍선의 수로 비유하면 더욱 쉽게 이해할 수 있다. 풍선을 묶을 때에는 풍선의 수에 따라 전체 모양이 결정된다. 그림 1에서 보는 것처럼 두 개의 풍선을 묶으면 직선 구조, 세 개의 풍선을 묶으면 평면삼각형 구조, 네 개의 풍선을 묶으면 정사면체 구조를 가질 수밖에 없다. 그림 2에는 VSEPR 이론에 의해 가능한 분자의 구조가 중심원자에 있는 전자쌍의 수에 따라 정리되어 있다.


그림 2 중심원자에 있는 전자쌍의 수에 따른 분자의 구조


여기에서 한 가지 주의해야 할 점은 이중결합이나 삼중결합처럼 두 개 이상의 전자쌍이 함께 붙어있을 경우에는 한 개의 전자쌍처럼 작용한다는 점이다. 이산화탄소의 경우 중심원자인 탄소에 네 개의 전자쌍이 있지만 두 개의 이중결합을 형성하고 있기 때문에 분자의 구조를 결정할 때는 마치 두 개의 전자쌍이 있는 것처럼 생각해야 한다. 따라서 이산화탄소의 구조는 직선형이 된다.

마지막으로 고려해야 할 부분은 비공유전자쌍이다. 비공유전자쌍은 하나의 전자쌍으로 작용하지만 원자는 결합되어 있지 않기 때문에 분자 구조에서는 나타나지 않는다. 메탄(CH4)은 중심원자인 탄소에 네 개의 전자쌍을 가지고 있기 때문에 VSEPR 방법에 의하여 정사면체 구조가 된다.

암모니아(NH3)의 경우 세 개의 공유전자쌍과 한 개의 비공유전자쌍을 합하여 모두 네 개의 전자쌍이 있기 때문에 역시 정사면체 구조를 갖는다. 그러나 비공유전자쌍에는 원자가 결합하고 있지 않기 때문에 분자의 구조에서 이 부분은 나타나지 않는다. 따라서 분자의 구조는 납작한 피라미드 형태가 된다. 즉 비공유전자쌍은 전체 구조의 형성에 기여는 하지만 구조에 나타나지는 않는다. 

마지막으로 물(H2O)은 두 개의 공유전자쌍과 두 개의 비공유전자쌍으로 모두 네 개의 전자쌍을 가지고 있어 정사면체 구조가 되지만 비공유전자쌍 두 개는 구조에 나타나지 않기 때문에 굽은 구조가 된다.





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