나뭇잎 교과서

루이스 구조와 분자 모양

분자 속 원자가 전자가 어디에 있는지를 점으로 나타내면, 어느 원자끼리 몇 쌍을 나누는지와 어떤 전자쌍이 결합에 쓰이지 않고 남는지가 보입니다. 이 전자쌍들이 서로 밀어내는 방식이 분자의 모양을 정합니다. 이 절에서는 전자점식을 그리는 규칙과, 그 그림에서 입체 모양을 예측하는 방법을 봅니다.

본문

루이스 구조와 분자 모양

본문

메테인(\(\text{CH}_4\)), 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?

그림 1. 전자쌍은 서로 밀어내어 가능한 한 멀리 떨어진다. 비공유 전자쌍(옅은 타원)은 결합 전자쌍보다 더 세게 밀어내 결합각을 좁힌다.
먼저 알아야 할 것원자가 전자와 옥텟 규칙(통합과학), 결합의 극성(결합의 극성), 입체 도형(정사면체).

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.

방법 2.3.1 전자점식 그리기

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

정리 2.3.2 전자쌍 반발의 세기

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.

2쌍 직선 180° 3쌍 평면 삼각형 120° 4쌍 정사면체 109.5°
그림 2. 중심 원자 둘레의 전자쌍 수에 따라 전자쌍이 가장 멀리 떨어지는 배치가 정해진다.

2.3.3예제 풀이

예제 2.3.3

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.

  1. 이 이론을 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(VSEPR)이라 한다. 다중 결합은 전자쌍이 여럿이어도 한 방향을 차지하므로 하나의 전자쌍 무리로 센다.
마무리

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.

탐구 1

루이스 전자점식은 어떻게 그릴까?

원자가 전자 · 옥텟 규칙 · 다중 결합

결합 바꾸기 (그림의 결합을 눌러도 됩니다)

원자가 전자 총수
—
공유 전자
—
비공유 전자
—
옥텟을 이룬 원자
—

비공유 전자쌍은 남은 전자를 바깥 원자부터 채워 넣어 자동으로 그린다. 초록 원은 옥텟(H는 전자 2개)을 이룬 원자, 주황 원은 아직 못 이룬 원자이다.

  1. 질문CO₂에서 탄소와 산소는 전자를 몇 쌍씩 나누고 있을까? 화학식만 봐서는 알 수 없으므로, 전자를 하나하나 세어 그려 볼 방법이 필요하다.
  2. 복원원자가 전자는 가장 바깥 껍질의 전자로, 족 번호의 일의 자리와 같다(H 1, C 4, N 5, O 6). 그리고 원자들은 전자를 공유해 바깥 껍질에 전자 8개(H는 2개)를 채우려는 경향이 있다(옥텟 규칙).
  3. 설명먼저 원자가 전자를 모두 더하고, 원자를 단일 결합으로 잇는다. 그다음 남은 전자를 바깥 원자부터 쌍으로 채운다. 그래도 가운데 원자가 옥텟을 못 이루면, 이웃 원자의 비공유 전자쌍을 결합으로 돌려 2중 결합이나 3중 결합을 만든다.
  4. 연결전자점식에서 두 원자 사이의 전자쌍은 공유 전자쌍, 한 원자에만 속한 전자쌍은 비공유 전자쌍이고, 공유 전자쌍을 선 하나로 바꿔 쓴 것이 구조식이다. 비공유 전자쌍은 전자쌍 반발 이론에서 분자 모양을 정하는 데 쓰인다.
  5. 적용CO₂는 처음에 모두 단일 결합인데, 탄소 둘레 전자가 몇 개인지 세어 보자. 결합을 눌러 차수를 바꿔 모든 원자가 초록이 되게 만들고, HCN, N₂, HCHO도 해 보자. 결합을 바꿔도 전자 총수는 그대로이다.
  6. 판단CO₂에서 한쪽을 3중 결합, 다른 쪽을 단일 결합으로 해도 모든 원자가 옥텟을 이룬다. 하지만 이 구조에서는 원자에 전하가 남는다(형식 전하). 실제 CO₂의 두 결합은 길이가 같아서 O=C=O가 더 잘 맞는다. 또 BF₃(붕소 둘레 6개)나 SF₆(황 둘레 12개)처럼 옥텟 규칙을 따르지 않는 분자도 있다.

확인조건이 달라지면

사이안화 수소(H–C–N 순서로 연결된 HCN)의 루이스 구조로 옳은 것은?

탐구 2

물 분자는 왜 굽은 모양일까?

전자쌍 반발 이론 · 3D 모형
결합 전자쌍 2 비공유 전자쌍 2
분자 모양
—
모형의 결합각
—
실측 (예시 분자)
—

전자쌍이 구 표면에서 서로 밀어내는 모식 모형이다. 비공유 전자쌍이 밀어내는 세기는 실측 결합각에 가깝도록 결합 전자쌍의 약 1.2배로 정했고, 다중 결합은 전자쌍 하나로 센다.

  1. 질문H₂O와 CO₂는 모두 원자 3개로 된 분자이다. 그런데 CO₂는 일직선이고 H₂O는 104.5°로 굽어 있다. 무엇이 이 차이를 만들까?
  2. 복원전자쌍은 모두 음전하를 띠므로 서로 밀어낸다. 그리고 앞 카드의 전자점식에서 가운데 원자 둘레의 전자쌍을 세어 보면 CO₂의 C는 2군데(2중 결합 둘), H₂O의 O는 4쌍(공유 2, 비공유 2)이다.
  3. 설명가운데 원자 둘레의 전자쌍은 서로 가장 멀리 떨어지는 방향으로 배치된다(전자쌍 반발 이론). 그래서 2개면 180°, 3개면 120°의 평면, 4개면 109.5°의 사면체이다. H₂O의 4쌍도 사면체 방향으로 퍼지는데, 그 가운데 둘에만 수소가 붙어 있으니 원자만 보면 굽은 형이 된다.
  4. 연결또 비공유 전자쌍은 한 원자핵에만 붙들려 가운데 원자 가까이 넓게 퍼지므로 더 세게 밀어낸다. 그래서 결합각은 CH₄ 109.5°, NH₃ 107°, H₂O 104.5° 순으로 줄어든다. 굽은 모양 때문에 H₂O는 결합 쌍극자가 상쇄되지 않는 극성 분자이다.
  5. 적용H₂O에서 비공유 전자쌍을 하나씩 빼며 결합각과 모양이 어떻게 변하는지 보자. 결합 전자쌍 4개(CH₄)에서 하나를 비공유 전자쌍으로 바꾸면(NH₃) 결합각이 몇 도 줄어드는지 확인하고, 그림을 끌어 돌리면서 입체 모양도 보자.
  6. 판단종이에 그린 전자점식이 평면이라고 분자까지 평면인 것은 아니다. CH₄를 평면 십자 모양(90°)으로 그리지만 실제로는 사면체(109.5°)이다. 또 이 모형은 방향을 잘 맞히지만 각도를 정확히 계산하지는 못해서, 같은 16족인 H₂S는 전자쌍 배치가 물과 같은데도 결합각이 약 92°이다.

확인조건이 달라지면

황화 수소(H₂S)에서 S는 O와 같은 16족이다. H₂S 분자의 모양은?

영상 · 통통사과 · 32초

분자 모양 한 번에 보기

직선형, 평면 삼각형, 정사면체, 삼각뿔, 굽은 형. 다섯 모양이 모두 ‘전자쌍은 서로 멀어지려 한다’는 한 가지 규칙에서 나옵니다. 비공유 전자쌍이 늘 때마다 결합각이 줄어드는 모습을 차례로 봅니다. 이 영상도 파일이 아니라 코드로 그려집니다.

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