분자 기하 — VSEPR 이론과 분자 모양

분자 기하는 분자의 3차원 모양을 뜻합니다. 대부분의 일반화학 입문 과정에서는 VSEPR 이론으로 그 모양을 예측합니다. 중심 원자 주위의 전자 영역들은 서로 반발하므로, 가능한 한 멀리 떨어지도록 배열된다고 봅니다.

빠르게 생각하는 방법은 이렇습니다. 먼저 전자 영역 수를 세고, 그다음 전자영역 기하와 분자 기하를 구분하는 것입니다. 비공유 전자쌍은 원자는 아니지만 공간을 차지하므로, 분자의 모양과 결합각을 바꿀 수 있습니다.

VSEPR이 분자 기하를 예측하는 방법

VSEPR은 원자가껍질 전자쌍 반발 이론(Valence Shell Electron Pair Repulsion)의 약자입니다. 이 모형에서는 중심 원자 주위의 전자 밀도 영역 하나하나를 서로 반발하는 하나의 영역으로 취급합니다.

기본적인 VSEPR 계산에서는 다음과 같이 셉니다.

• 단일 결합 하나는 전자 영역 1개로 센다
• 이중 결합 하나는 전자 영역 1개로 센다
• 삼중 결합 하나는 전자 영역 1개로 센다
• 비공유 전자쌍 하나는 전자 영역 1개로 센다

학생들이 가장 자주 놓치는 부분이 바로 마지막 항목입니다. 전체 전자 영역 수는 같아도, 한 분자에는 비공유 전자쌍이 있고 다른 분자에는 없으면 분자 기하는 서로 달라질 수 있습니다.

자주 나오는 분자 기하 모양

이 표는 일반화학 1학년에서 가장 자주 나오는 모양들을 정리한 것입니다.

중심 원자의 전자 영역 수	중심 원자의 비공유 전자쌍 수	분자 기하	대표 예시
2	0	선형	$CO_2$
3	0	삼각 평면형	$BF_3$
3	1	굽은형	$SO_2$
4	0	정사면체형	$CH_4$
4	1	삼각뿔형	$NH_3$
4	2	굽은형	$H_2O$
5	0	삼각쌍뿔형	$PCl_5$
5	1	시소형	$SF_4$
5	2	T자형	$ClF_3$
5	3	선형	$XeF_2$
6	0	팔면체형	$SF_6$
6	1	사각뿔형	$BrF_5$
6	2	정사각 평면형	$XeF_4$

이들은 자주 나오는 VSEPR 패턴이지, 모든 분자에 완벽하게 들어맞는 절대 규칙은 아닙니다. VSEPR은 많은 주족 원소 분자와 다원자 이온에서 첫 번째 근사 모형으로 가장 잘 작동합니다.

전자영역 기하와 분자 기하

이 구분 때문에 오답이 많이 나옵니다.

전자영역 기하는 중심 원자 주위의 모든 전자 영역, 즉 비공유 전자쌍까지 포함한 배열을 설명합니다. 반면 분자 기하는 원자들만의 배열을 설명합니다.

예를 들어 $H_2O$에서 산소 주위에는 전자 영역이 4개 있으므로 전자영역 기하는 정사면체형입니다. 하지만 그중 산소에 결합한 원자에 해당하는 영역은 2개뿐이므로, 분자 기하는 굽은형입니다.

풀이 예시: 물은 왜 굽은형일까?

모형 사례로 $H_2O$를 사용해 봅시다.

먼저 루이스 구조를 그립니다. 산소가 중심 원자이고, 수소 두 개와 결합하며, 비공유 전자쌍 두 개를 가집니다.

이제 산소 주위의 전자 영역 수를 셉니다.

• $O-H$ 결합 2개
• 비공유 전자쌍 2개

따라서 전자 영역은 총 4개입니다.

전자 영역이 4개이면 전자영역 기하는 정사면체형입니다. 네 영역이 모두 결합 전자쌍이었다면 분자 모양도 $CH_4$처럼 정사면체형이었을 것입니다. 하지만 물에서는 그중 두 영역이 비공유 전자쌍입니다.

그래서 분자 기하는 정사면체형이 아니라 굽은형입니다.

이것은 결합각도 설명해 줍니다. 이상적인 정사면체 각은 약 $109.5^\circ$이지만, 물의 $H-O-H$ 결합각은 더 작은 약 $104.5^\circ$입니다. VSEPR 모형에서는 비공유 전자쌍이 결합 전자쌍보다 더 강하게 반발하므로, 두 $O-H$ 결합을 더 가깝게 밀어 넣습니다.

이 한 가지 예시가 핵심을 잘 보여 줍니다. 기하는 전체 전자 영역 수와 그중 비공유 전자쌍이 몇 개인지에 모두 달려 있습니다.

단계별로 분자 기하를 구하는 방법

대부분의 입문 문제에서는 다음 순서를 사용하면 됩니다.

1. 타당한 루이스 구조를 그린다.
2. 중심 원자를 찾는다.
3. 그 중심 원자 주위의 전자 영역 수를 센다.
4. 전자 영역 수를 바탕으로 전자영역 기하를 정한다.
5. 분자 기하의 이름을 붙일 때는 비공유 전자쌍을 제외하고 원자 배열만 보되, 반발과 결합각을 판단할 때는 비공유 전자쌍을 무시하지 않는다.

루이스 구조가 틀리면 분자 기하도 대개 틀립니다. VSEPR은 모양표를 외우는 것만으로 시작하는 것이 아니라, 먼저 구조에서 출발합니다.

VSEPR 문제에서 흔한 실수

다중 결합을 전자 영역 여러 개로 세기

VSEPR에서는 이중 결합이나 삼중 결합도 중심 원자 주위에서 여전히 전자 영역 1개로 셉니다. 전자 밀도 분포는 다르지만, 기본적인 기하 계산에서는 하나의 영역입니다.

전자영역 기하와 분자 기하를 혼동하기

학생들이 물을 정사면체형이라고 부르는 이유가 바로 이것입니다. 물은 전자영역 기하만 정사면체형입니다. 분자 기하는 굽은형입니다.

비공유 전자쌍을 무시하기

비공유 전자쌍은 최종 분자 모양 이름에는 원자로 드러나지 않지만, 기하에 큰 영향을 주며 결합각을 이상적인 값보다 작게 만드는 경우가 많습니다.

VSEPR을 모든 경우에 정확한 이론으로 여기기

VSEPR은 특히 많은 주족 화학종에서 유용한 첫 예측을 제공합니다. 하지만 결합이 더 복잡한 경우, 예를 들어 많은 전이 금속 화합물이나 더 자세한 오비탈 그림이 중요한 경우에는 신뢰성이 떨어집니다.

분자 기하가 중요한 때

분자 기하는 결합각, 극성, 반응성 경향을 예측하는 데 쓰입니다. 같은 원자로 이루어진 분자라도 모양이 다르면 왜 다르게 거동하는지 설명하는 데에도 도움이 됩니다.

예를 들어 분자 모양을 보면 결합 쌍극자가 상쇄되는지, 분자가 극성을 띨 가능성이 큰지, 그리고 분자 간 상호작용이나 반응에서 원자들이 어떻게 배치되는지를 추론할 수 있습니다.

비슷한 분자로 연습해 보기

이번에는 $NH_3$나 $CO_2$로 직접 해 보세요. 루이스 구조를 그리고, 중심 원자 주위의 전자 영역 수를 센 뒤, 전자영역 기하와 분자 기하를 모두 이름 붙여 보세요.

한 단계 더 나아가고 싶다면, 찾은 분자 모양을 그 분자의 극성과 비교해 보고 결합 쌍극자가 상쇄되는지도 생각해 보세요.