루이스 구조와 분자 모양
본문메테인(\(\text{CH}_4\)), 암모니아(\(\text{NH}_3\)), 물(\(\text{H}_2\text{O}\))은 가운데 원자 둘레에 전자쌍이 모두 4개씩 있다. 그런데 메테인은 정사면체, 암모니아는 삼각뿔, 물은 굽은 모양이고, 결합각도 109.5°, 107°, 104.5°로 조금씩 다르다. 무엇이 분자의 모양을 정할까?
2.3.1루이스 전자점식
원자의 원자가 전자를 원소 기호 둘레에 점으로 찍어 나타낸 것을 루이스 전자점식이라 한다. 원자들은 전자쌍을 공유하여 각자 둘레에 전자 8개(수소는 2개)를 채우려 하는데, 이것이 옥텟 규칙이다. 두 원자 사이에 놓인 전자쌍은 결합 전자쌍, 한 원자에만 속한 전자쌍은 비공유 전자쌍이다.
분자 속 모든 원자의 원자가 전자 수를 더한다. 중심 원자를 정해 둘레 원자와 전자쌍 하나씩으로 잇는다. 남은 전자를 둘레 원자부터 옥텟이 되도록 채우고, 그래도 남으면 중심 원자에 놓는다. 중심 원자의 옥텟이 모자라면 비공유 전자쌍을 옮겨 이중 결합이나 삼중 결합을 만든다.
물은 산소 6개와 수소 1개씩 모두 8개의 원자가 전자를 가진다. O-H 결합 두 개에 4개를 쓰고 남은 4개가 산소에 비공유 전자쌍 2개로 놓인다. 그래서 산소 둘레에는 결합 전자쌍 2개와 비공유 전자쌍 2개, 모두 4개의 전자쌍이 있다.
2.3.2전자쌍 반발 이론
전자쌍은 모두 음전하를 띠므로 서로 밀어낸다. 그래서 중심 원자 둘레의 전자쌍은 가능한 한 멀리 떨어진 배치를 취한다. 2개이면 직선(180°), 3개이면 평면 삼각형(120°), 4개이면 정사면체(109.5°)가 된다.1
비공유 전자쌍 사이 > 비공유-결합 전자쌍 사이 > 결합 전자쌍 사이. 비공유 전자쌍은 한 원자핵에만 붙들려 있어 더 넓게 퍼지므로 이웃 전자쌍을 더 세게 밀어낸다.
분자의 모양은 원자의 위치만 보고 부른다. 메테인은 4개 모두 결합 전자쌍이라 정사면체이다. 암모니아는 하나가 비공유 전자쌍이라 원자들은 삼각뿔을 이루고, 물은 둘이 비공유 전자쌍이라 굽은형이 된다. 비공유 전자쌍이 늘수록 결합 전자쌍을 더 세게 밀어 결합각이 109.5°에서 107°, 104.5°로 줄어든다. 그림 1에서 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수를 바꾸며 확인해 보자.
2.3.3예제 풀이
이산화 탄소(\(\text{CO}_2\))의 루이스 전자점식을 그리고 분자 모양과 결합각을 예측하여라.
원자가 전자는 탄소 4개, 산소 6개씩 모두 16개이다. C-O 단일 결합 두 개에 4개를 쓰고, 남은 12개를 두 산소에 6개씩 놓으면 산소는 옥텟을 채우지만 탄소 둘레에는 4개뿐이다. 각 산소의 비공유 전자쌍 하나씩을 결합으로 옮기면 O=C=O의 이중 결합 두 개가 되어 모두 옥텟을 채운다.
탄소에는 비공유 전자쌍이 없고, 이중 결합 하나는 전자쌍 반발에서 한 방향으로 보므로 탄소 둘레의 전자쌍 무리는 2개이다. 따라서 직선형이며 결합각은 180°이다. 앞 절에서 본 대로 이 모양 때문에 \(\text{CO}_2\)는 무극성 분자가 된다.
모양이 정해지면 극성이 정해지고, 극성은 끓는점과 녹는 성질을 정한다. 아래 탐구 카드에서 전자점식 그리기와 분자 모양 예측을 직접 연습해 보자.
- 이 이론을 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(VSEPR)이라 한다. 다중 결합은 전자쌍이 여럿이어도 한 방향을 차지하므로 하나의 전자쌍 무리로 센다.
루이스 전자점식은 결합 전자쌍과 비공유 전자쌍을 보여 주고, 전자쌍들은 서로 밀어내어 가장 멀리 떨어진 배치를 취한다. 비공유 전자쌍은 더 세게 밀어내 결합각을 좁힌다. 그래서 처음 질문의 물 분자는 전자쌍 4개가 정사면체로 퍼지되 그중 2개가 비공유 전자쌍이라, 원자들은 104.5°의 굽은 모양을 이룬다.