VSEPR 구조와 분자의 극성

중심 원자 주위의 전자 영역 세기

VSEPR는 올바른 루이스 구조에서 출발합니다. 중심 원자 주위의 전자 영역을 세십시오. 비공유 전자쌍 하나가 영역 하나이고, 다른 원자와의 결합은 단일, 이중, 삼중이든 영역 하나입니다. 총수를 흔히 입체수라고 합니다. 이중 결합은 그 전자가 두 원자 사이의 같은 공간 영역을 차지하므로 한 번만 셉니다.

입체수는 전자 영역 구조, 곧 영역들을 가장 멀리 떨어뜨려 놓는 배치를 정합니다. 영역 둘은 직선형(180°), 셋은 평면 삼각형(120°), 넷은 정사면체(109.5°), 다섯은 삼각 쌍뿔(90°와 120°), 여섯은 정팔면체(90°)입니다.

짧은 표기를 쓰면 개수를 놓치지 않을 수 있습니다. AXₘEₙ 표기에서 A는 중심 원자, m은 결합한 원자 X의 수, n은 중심 원자의 비공유 전자쌍 E의 수입니다. 물은 AX₂E₂입니다. 결합한 원자 둘과 비공유 전자쌍 둘, 입체수 4입니다.

전자 영역 구조와 분자 모양의 비교

비공유 전자쌍은 공간을 차지하지만 원자가 아니므로 분자 모양의 이름에는 보이지 않습니다. 분자 구조는 원자가 어디에 있는지만 기술합니다. 중심 원자에 비공유 전자쌍이 없으면 두 구조는 같고, 있으면 달라집니다.

삼각 쌍뿔에서 자리는 서로 동등하지 않습니다. 적도 자리 세 개는 서로 120° 떨어져 있고 축 자리 두 개는 적도에서 90° 떨어져 있습니다. 비공유 전자쌍은 적도 자리로 먼저 갑니다. 적도 자리에는 90°에 이웃이 둘뿐이지만 축 자리에는 셋이기 때문입니다.

• 입체수 3: AX₃는 평면 삼각형, AX₂E는 굽은 형이며 결합각은 120° 미만입니다.
• 입체수 4: AX₄는 정사면체, AX₃E는 삼각뿔, AX₂E₂는 굽은 형이며 결합각은 109.5° 미만입니다.
• 입체수 5: AX₅는 삼각 쌍뿔, AX₄E는 시소형, AX₃E₂는 T자형, AX₂E₃는 직선형입니다.
• 입체수 6: AX₆는 정팔면체, AX₅E는 사각뿔, AX₄E₂는 평면 사각형입니다.

비공유 전자쌍이 결합각을 줄이는 이유

비공유 전자쌍은 핵 하나에만 붙잡혀 있으므로 그 전자 밀도가 결합 전자쌍보다 중심 원자 근처에서 더 넓게 퍼집니다. 따라서 반발은 비공유 전자쌍–비공유 전자쌍 > 비공유 전자쌍–결합 전자쌍 > 결합 전자쌍–결합 전자쌍의 순서를 따르며, 비공유 전자쌍이 하나 늘 때마다 남은 결합들이 서로 더 가까이 눌립니다.

정사면체 계열이 이 경향을 보여 줍니다. 비공유 전자쌍이 없는 메테인 CH₄의 H–C–H 결합각은 109.5°입니다. 비공유 전자쌍이 하나인 암모니아 NH₃의 H–N–H 결합각은 그보다 조금 작습니다. 비공유 전자쌍이 둘인 물의 H–O–H 결합각은 104.5°이며, 이는 OpenStax Chemistry 2e에 나온 값입니다. 다중 결합도 비슷하지만 더 작은 효과를 냅니다. 이중 결합은 단일 결합보다 더 많은 전자 밀도를 지니기 때문입니다.

VSEPR는 이러한 편차의 방향은 믿을 만하게 예측하지만 정확한 크기는 예측하지 못합니다. 비공유 전자쌍이 있는 분자의 각을 묻는 문제에서는 측정 자료가 없다면 이상적인 값보다 "조금 작다"고 답하십시오.

풀이 예제: 삼플루오린화 염소와 사플루오린화 제논

삼플루오린화 염소, ClF₃. 원자가 전자: 7 + 3(7) = 28개. Cl–F 단일 결합 세 개가 전자 6개를 쓰고, 플루오린 세 개의 팔전자를 채우는 데 3 × 6 = 18개가 들어 모두 24개입니다. 나머지 4개는 염소 위에 비공유 전자쌍 두 개로 놓입니다. 염소는 결합이 셋이고 비공유 전자쌍이 둘이므로 AX₃E₂, 입체수 5이며 전자 영역 구조는 삼각 쌍뿔입니다.

비공유 전자쌍 둘은 모두 적도 자리를 차지합니다. 그러면 적도 평면에 플루오린이 하나, 축 자리에 둘이 남아 원자들이 T자 모양을 이룹니다. 비공유 전자쌍이 축 자리의 플루오린을 적도 쪽 플루오린으로 밀기 때문에 F–Cl–F 결합각은 90°보다 조금 작습니다. Cl–F 결합 쌍극자 셋은 T자 모양에서 상쇄되지 않으므로 ClF₃는 극성입니다.

사플루오린화 제논, XeF₄. 원자가 전자: 8 + 4(7) = 36개. Xe–F 결합 넷이 전자 8개를, 플루오린의 비공유 전자쌍이 4 × 6 = 24개를 써서 모두 32개입니다. 나머지 4개는 제논 위의 비공유 전자쌍 둘입니다. 결합이 넷이고 비공유 전자쌍이 둘이므로 제논은 AX₄E₂, 입체수 6이며 전자 영역 구조는 정팔면체입니다.

정팔면체에서는 모든 자리가 동등하므로 첫 번째 비공유 전자쌍은 어디에 놓아도 됩니다. 두 번째는 비공유 전자쌍–비공유 전자쌍 반발을 최소화하도록 바로 반대편, 180° 떨어진 곳에 놓입니다. 그러면 플루오린 네 개는 이웃과 90°를 이루며 한 평면에 놓입니다. 평면 사각형입니다. Xe–F 결합은 각각 극성이지만 마주 보는 결합은 정확히 반대 방향을 가리키므로 쌍극자가 상쇄되어 XeF₄는 무극성입니다.

결합 쌍극자를 더해 분자의 극성 알아내기

전기 음성도가 다른 원자 사이의 결합은 극성이며, 전기 음성도가 더 큰 원자에 부분 음전하(δ−)가 생깁니다. 결합 쌍극자는 각각 크기와 방향이 있으므로 벡터처럼 행동합니다. 분자의 쌍극자 모멘트는 모든 결합 쌍극자의 벡터 합이며, 보통 디바이 단위(1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m)로 보고합니다.

똑같은 결합이 중심 원자 주위에 대칭으로 배열되어 있으면 결합 쌍극자가 상쇄됩니다. 모든 X 원자가 같을 때 AX₂ 직선형, AX₃ 평면 삼각형, AX₄ 정사면체, AX₅ 삼각 쌍뿔, AX₆ 정팔면체 분자에서 그렇고, 비공유 전자쌍이 대칭으로 배열되어 각 결합이 똑같은 결합과 정반대를 향하는 AX₄E₂ 평면 사각형과 AX₂E₃ 직선형에서도 그렇습니다. 그 밖의 모양과 치환기의 조합은 대개 알짜 쌍극자를 남깁니다.

비교 풀이: 이산화 황과 삼산화 황. SO₂는 원자가 전자가 6 + 2(6) = 18개이며, 루이스 구조에서 황 위에 결합 영역 둘과 비공유 전자쌍 하나가 있으므로(AX₂E) 분자는 굽은 형입니다. 두 S–O 쌍극자는 부분적으로 같은 방향을 가리키므로 합이 0이 아니어서 SO₂는 극성입니다. SO₃는 원자가 전자가 6 + 3(6) = 24개이고 황 위에 결합 영역 셋과 비공유 전자쌍이 없으므로(AX₃) 평면 삼각형입니다. 120° 간격의 같은 쌍극자 셋은 합이 0이므로, SO₃는 모든 결합이 극성인데도 무극성입니다.

모양과 극성에서 흔한 실수

오류는 대부분 루이스 구조를 건너뛰거나, 지면에 그려진 평면 그림을 실제 모양인 것처럼 읽는 데서 생깁니다. 간단한 절차로 잡아낼 수 있습니다. 루이스 구조를 그리고, 중심 원자의 영역을 세고, 전자 영역 구조의 이름을 대고, 비공유 전자쌍을 제거해 분자 모양의 이름을 댄 다음, 결합 쌍극자를 3차원에서 더합니다.

마지막 단계에는 입체 모형이나 쐐기와 점선으로 정성껏 그린 스케치가 도움이 됩니다. 분자를 돌려서 한 결합 쌍극자에 반대 방향을 가리키는 짝이 없는 모습이 가능하다면 그 분자는 극성입니다. 모든 결합이 반대편의 똑같은 결합과 짝을 이루거나 120° 간격의 결합 세 개 같은 대칭 집합을 이루면 무극성입니다.

• 분자 모양을 묻는데 전자 영역 구조의 이름을 대는 것. 물의 영역은 정사면체이고 모양은 굽은 형입니다.
• 중심 원자의 비공유 전자쌍을 잊어서 NH₃를 평면 삼각형 분자로 잘못 보는 것.
• 이중 결합이나 삼중 결합을 영역 두 개나 세 개로 세는 것.
• 결합이 극성이라는 이유만으로 쌍극자가 상쇄되는지 확인하지 않고 분자가 극성이라고 결론짓는 것.
• 평면 그림으로 대칭을 판단하는 것. CH₂Cl₂는 종이에서는 대칭으로 보이지만 두 종류의 결합을 가진 정사면체이므로 극성입니다.
• 삼각 쌍뿔의 축 자리에 비공유 전자쌍을 놓는 것. SF₄, ClF₃, XeF₂의 모양이 잘못 나옵니다.