안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
물 분자가 굽은형 구조를 이루고 강한 극성을 띠는 원리는 전자쌍 반발 이론에 따른 입체 배치와 전기음성도 차이로 인한 쌍극자 모멘트의 합으로 설명됩니다. 이와 관련하여 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.
물 분자의 중심 원자인 산소는 6개의 원자가 전자를 가지며, 수소 원자 2개와 각각 단일 결합을 형성하면서 공유 전자쌍 2개를 이루고, 결합에 참여하지 않은 비공유 전자쌍 2개가 남게 됩니다. 중심 산소 원자 주변에는 총 4쌍의 전자쌍이 존재하는데, 4개의 전자쌍이 3차원 공간에서 서로 가장 멀리 떨어지는 배치 방식은 정사면체 구조이며, 이 기본 골격의 이상적인 기하학적 각도는 109.5도입니다. 그런데, 공유 전자쌍은 산소와 수소 두 원자핵이 양쪽에서 잡아당기고 있어 공간을 비교적 좁게 차지하는 반면, 비공유 전자쌍은 산소 원자핵 하나에만 끌려있기 때문에 전자 구름이 중심 원자 부근에서 더 넓은 공간을 차지하며 퍼져 있습니다. 넓은 공간을 차지하는 2개의 비공유 전자쌍이 서로를 강하게 밀어내고, 동시에 옆의 공유 전자쌍들을 아래로 강하게 밀어붙입니다. 그 결과, 두 O-H 결합 사이의 각도가 기본 정사면체 각도인 109.5도에서 눌려 104.5도의 굽은형 구조로 좁아지게 됩니다.
산소는 수소보다 전자를 끌어당기는 힘인 전기음성도가 훨씬 크기 때문에 O-H 공유 결합에서 전자가 산소 원자 쪽으로 강하게 쏠리게 되므로, 산소 쪽은 부분적인 음전하를 띠고 수소 쪽은 부분적인 양전하를 띠게 됩니다. 이로 인해 각 O-H 결합은 결합 쌍극자 모멘트를 가집니다.