17. 전자쌍 반발 이론, 분자의 구조, 극성 & 무극성 분자

🧪 전자쌍 반발 이론, 분자의 구조, 극성 & 무극성 분자

1. 전자쌍 반발 이론 (VSEPR Theory)

• 정의
  • 분자의 중심 원자를 기준으로 존재하는 모든 전자쌍 (공유 전자쌍 + 비공유 전자쌍)은 서로 최대한 멀리 떨어져 존재하려고 반발하며, 이로 인해 분자의 입체적인 구조가 결정된다는 이론이다.
  • 여기서 전자쌍은 공유 전자쌍 (결합 전자쌍)과 비공유 전자쌍 (고립 전자쌍)을 모두 포함한다.
• 전자쌍 사이의 반발력 크기
  • 전자쌍이 차지하는 공간의 크기와 반발력은 다음과 같은 순서로 작용한다.
  • 비공유 전자쌍 - 비공유 전자쌍 (LP-LP) 반발이 가장 크다.
  • 비공유 전자쌍 - 공유 전자쌍 (LP-BP) 반발이 그다음이다.
  • 공유 전자쌍 - 공유 전자쌍 (BP-BP) 반발이 가장 작다.

이 반발력의 차이 때문에 비공유 전자쌍이 있는 분자는 결합 각이 감소한다.

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2. 분자의 구조 예측 및 결합 각

• 분자의 구조는 중심 원자 주위의 전자쌍 수에 의해 결정되며, 이때 다중 결합은 단일 결합처럼 하나의 전자쌍으로 간주한다.

1) 중심 원자 전자쌍 수에 따른 기본 구조

중심 원자 전자쌍 수	전자쌍 배치 (배열)	분자 구조 유형	결합각	예시
2쌍	직선형	직선형	$180^\circ$	$\text{BeCl}_2, \text{CO}_2, \text{HCN}$
3쌍	평면 삼각형	평면 삼각형	$120^\circ$	$\text{BF}_3, \text{BCl}_3, \text{HCHO}$
4쌍	정사면체	정사면체	$109.5^\circ$	$\text{CH}_4, \text{CCl}_4$

2) 비공유 전자쌍의 영향 (4쌍 구조의 변형)

• 중심 원자 주위에 4쌍의 전자쌍이 존재할 때, 비공유 전자쌍의 개수에 따라 분자 구조가 달라진다. 비공유 전자쌍은 구조 예측 시 공간만 차지하며 분자 구조의 이름에서는 제외된다.

공유 전자쌍 수	비공유 전자쌍 수	분자 구조	결합각	반발력 영향	예시
4쌍	0쌍	정사면체	$109.5^\circ$	-	$\text{CH}_4$
3쌍	1쌍	삼각뿔 (Trigonal Pyramidal)	$107^\circ$	$\text{LP-BP}$ 반발로 인해 각이 $109.5^\circ$보다 작아짐.	$\text{NH}_3, \text{PH}_3$
2쌍	2쌍	굽은형 (Bent)	$104.5^\circ$	$\text{LP-LP}$ 반발과 $\text{LP-BP}$ 반발로 인해 각이 $107^\circ$보다 더 작아짐.	$\text{H}_2\text{O}, \text{H}_2\text{S}$

3) 다중 결합의 처리

• 분자의 구조를 예측할 때, 다중 결합 (이중 결합, 삼중 결합)은 단일 결합과 동등하게 하나의 전자쌍으로 간주하여 중심 원자의 전자쌍 수를 센다.
• 예시:
  • $\text{CO}_2$: $\text{O}=\text{C}=\text{O}$ ($\text{C}$ 주위에 이중 결합 2개) $\rightarrow$ 2쌍으로 간주 $\rightarrow$ 직선형 ($180^\circ$)
  • $\text{HCHO}$ (폼알데하이드): $\text{O}=\text{C}(\text{H})_2$ ($\text{C}$ 주위에 이중 결합 1개 + 단일 결합 2개) $\rightarrow$ 3쌍으로 간주 $\rightarrow$ 평면 삼각형 ($120^\circ$)

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3. 분자의 극성/무극성 판별

• 분자의 극성/무극성은 분자에 존재하는 모든 쌍극자 모멘트의 합 (총합)에 의해 결정된다.
• 분자 쌍극자 모멘트의 합 ($\sum \mu$)
  • $\sum \mu = 0$ 이면 $\rightarrow$ 무극성 분자
  • $\sum \mu \ne 0$ 이면 $\rightarrow$ 극성 분자

1) 분자 구조에 따른 극성/무극성 경향성 (판별 기준)

• 직선형
  • 대칭형 (중심 원자 양쪽에 같은 원자가 결합): 쌍극자 모멘트가 상쇄된다. $\rightarrow$ 무극성 분자 ($\text{CO}_2, \text{BeCl}_2$)
  • 비대칭형 (중심 원자 양쪽에 다른 원자가 결합): 쌍극자 모멘트가 상쇄되지 않는다. $\rightarrow$ 극성 분자 ($\text{HCN}$)
• 평면 삼각형
  • 같은 원자가 대칭적으로 결합: 쌍극자 모멘트가 상쇄된다. $\rightarrow$ 무극성 분자 ($\text{BF}_3$)
  • 다른 원자가 결합: 쌍극자 모멘트가 상쇄되지 않는다. $\rightarrow$ 극성 분자 ($\text{HCHO}$)
• 정사면체
  • 정사면체 구조 (중심 원자에 모두 같은 원자가 결합): 쌍극자 모멘트가 상쇄된다. $\rightarrow$ 무극성 분자 ($\text{CH}_4, \text{CCl}_4$)
  • 사면체 구조 (중심 원자에 다른 원자가 결합): 쌍극자 모멘트가 상쇄되지 않는다. $\rightarrow$ 극성 분자 ($\text{CH}_3\text{Cl}$)
• 삼각뿔 및 굽은형
  • 중심 원자에 비공유 전자쌍이 존재하고, 구조 자체가 비대칭이다.
  • $\rightarrow$ 쌍극자 모멘트가 항상 상쇄되지 않는다. $\rightarrow$ 항상 극성 분자 ($\text{NH}_3, \text{H}_2\text{O}$)

2) 극성과 결합의 극성 관계 (명제 판별)

• 극성 공유 결합으로 이루어진 분자는 극성 분자이다. $\rightarrow$ 거짓 ($\text{CO}_2, \text{CCl}_4$ 등은 극성 공유 결합으로 이루어져 있지만, 구조적 대칭성 때문에 무극성 분자이다.)
• 극성 분자에는 적어도 하나의 극성 공유 결합이 존재한다. $\rightarrow$ 참 (분자가 극성이려면 $\sum \mu \ne 0$ 이어야 하며, 이는 쌍극자 모멘트를 만드는 극성 공유 결합이 있어야만 가능하다. 무극성 공유 결합으로만 이루어지면 $\mu = 0$ 이므로 무극성 분자가 된다.)
• 무극성 공유 결합으로 이루어진 분자는 무극성 분자이다. $\rightarrow$ 참 ($\text{O}_2, \text{N}_2$ 등은 쌍극자 모멘트 자체가 0이므로 분자 쌍극자 모멘트 합도 0이다.)
• 무극성 분자에는 무극성 공유 결합이 존재한다. $\rightarrow$ 거짓 ($\text{CO}_2$는 무극성 분자이지만, $\text{C}=\text{O}$는 극성 공유 결합이다. 즉, 무극성 공유 결합이 없어도 무극성 분자가 될 수 있다.)

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4. 극성 분자 및 무극성 분자의 성질

• 분자 간의 인력 및 외부 환경과의 상호 작용에 따라 극성 분자와 무극성 분자의 성질이 달라진다.

• 대전체를 가까이 할 때
  • 극성 분자: 분자 쌍극자 모멘트가 존재하므로, 대전체 (전하를 띤 물체)를 가까이 하면 항상 끌려온다.
  • 무극성 분자: 쌍극자 모멘트가 0이므로, 대전체를 가까이 해도 끌려오지 않는다 (혹은 미세한 유발 쌍극자로 인해 매우 약하게 끌려온다).
• 전기장 속에 넣었을 때 배열
  • 극성 분자: 분자들이 회전하며 전기장의 방향에 따라 일정한 방향으로 배열된다.
  • 무극성 분자: 특별히 배열되지 않는다.
• 용해도 (Solubility)
  • "Like Dissolves Like (유유상종, 비슷한 성질끼리 잘 섞인다)" 원칙이 적용된다.
    • 극성 용매 (예: 물 $\text{H}_2\text{O}$): 극성 물질과 이온 결합 물질을 잘 녹인다.
    • 무극성 용매 (예: 사염화탄소 $\text{CCl}_4$, 헥세인 $\text{C}_6\text{H}_{14}$): 무극성 물질을 잘 녹인다.
• 끓는점 (Boiling Point)
  • 끓는점은 입자 간 인력이 강할수록 높다.
  • 극성 분자: 무극성 분자에 비해 쌍극자-쌍극자 인력 등 추가적인 분자 간 인력이 작용하므로, 분자량이 비슷할 경우 끓는점이 더 높다.
  • 무극성 분자: 분산력(분자량에 의해 결정)만 작용한다.
  • 예외: 분자량 차이가 클 경우, 무극성 분자라도 분자량이 크면 분산력이 매우 커져 극성 분자보다 끓는점이 더 높을 수 있다.