중심 원자의 입체수와 VSEPR 이론으로 분자 구조를 예측하는 원리가 궁금해요

Question

분자의 입체 구조를 결정할 때 중심 원자 주위의 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 간의 반발력을 최소화하는 방향으로 배열된다는 원자가 껍질 전자쌍 반발(VSEPR) 이론이 어떻게 정사면체, 삼각추, 평면 삼각형 구조를 유도하는지 알고 싶어요.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

원자가 껍질 전자쌍 반발 이론은 중심 원자 주변의 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍이 정전기적 반발력을 최소화하기 위해 가능한 한 서로 멀리 떨어지려는 성질을 바탕으로 분자의 입체 구조를 설명합니다 입체수가 3일 때는 3개의 전자쌍이 평면상에서 120° 간격으로 배치되어 평면 삼각형 구조를 이루고 입체수가 4이면서 모두 공유 전자쌍일 때는 109.5°의 각도를 유지하는 정사면체 구조가 됩니다 반면 입체수가 4이더라도 1개의 비공유 전자쌍이 포함되면 비공유 전자쌍이 갖는 더 강한 반발력 때문에 공유 전자쌍들을 아래로 밀어내어 최종적으로 삼각추 구조를 형성하게 됩니다 이와 같이 중심 원자의 입체수와 전자쌍 간의 상대적 반발 크기가 다양한 분자의 입체 기하 구조를 결정합니다

Answer 2

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

분자 모양은 중심 원자 주변의 전자쌍들이 서로 밀어내는 힘 때문에 결정돼요. 왜냐하면은 전자들은 같은 마이너스 성질을 가지고 있습니다. 그래서 서로서로 최대한 멀리 떨어지려고, 자리를 잡는거죠. 그러다보니깐 고유의 입체 구조가 만들어지게 되는겁니다.

​ 그래서 전자쌍이 4개인 정사면체 구조에서, 비공유 전자쌍이 생기면 모양이 달라져요. 이게 이유는 비공유 전자쌍이 실제로 다른 전자쌍을 훨씬 더 강하게 밀어내거든요. 그래서 결론적으로 결합의 각도가 좁아지게 되면은 우리가 알고 있는 삼각추의 모양으로 꺾이게 되는 겁니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

입체수는 중심 원자에 결합한 원자 수와 비공유 전자쌍 수를 더한 값이에요. 이중 결합이나 삼중 결합도 방향이 하나이니 한 개로 세요. 이 전자 영역들은 모두 음전하라 서로 밀어내고, 중심 원자 둘레에서 가장 멀리 떨어질 수 있는 배치를 찾아가요.

입체수가 3이면 평면 위에서 120°씩 벌어지는 게 가장 멀어서 평면 삼각형이 돼요. 붕소 주위에 결합 3개만 있고 비공유 전자쌍이 없는 BF₃가 이 모양이에요. 입체수가 4면 평면에서는 90°밖에 못 벌리지만, 입체로 펼치면 109.5°까지 벌어져 정사면체가 돼요. CH₄가 그렇게 생겼어요.

삼각추는 입체수 4에서 하나가 비공유 전자쌍일 때 나와요. NH₃는 전자쌍 네 개가 정사면체 방향으로 놓이지만 분자 모양은 원자만 보고 정하니, 질소를 꼭짓점으로 수소 셋이 바닥을 이루는 삼각추가 돼요. 비공유 전자쌍은 핵 하나에만 붙들려 더 넓게 퍼지므로, 반발은 비공유-비공유가 가장 크고 공유-공유가 가장 작아요. 그래서 NH₃의 결합각은 109.5°에서 107°로 좁아지고, 비공유 전자쌍이 둘인 H₂O는 더 눌려 104.5°의 굽은형이 돼요 :)

Answer 4

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

VSEPR 이론은 중심 원자 주위의 전자쌍이 서로 최대한 멀어지려는 성질을 이용해 분자 구조를 예측합니다.

전자쌍의 총 개수와 비공유 전자쌍의 유무에 따라 정사면체,삼각뿔,평면 삼각형 구조가 결정된답니다.