PH3와 NH3의 결합각도의 차이는 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. PH3와 NH3는 둘 다 SP3 혼성,을 하고 있는데요 이때 NH3의 결합각이 더 큰데, 이러한 결합각도의 차이는 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요.
말씀해주신 것과 같이 암모니아(NH₃)와 인화수소(PH₃)는 모두 중심 원자에 세 개의 σ결합과 하나의 비공유 전자쌍을 가지므로, 겉보기에는 sp³ 혼성화된 구조로 보입니다. 그러나 실제 결합각은 크게 다르며, NH₃의 결합각은 약 107°, PH₃의 결합각은 약 93.5° 정도로, 거의 직각에 가깝습니다.
이와 같은 차이는 단순히 sp³ 혼성이라는 설명만으로는 완전히 설명되지 않으며, 중심 원자의 혼성화 정도, 전자 구름의 분포, 그리고 결합의 성질에 의해 결정되는데요, 우선 중심 원자의 껍질 구조와 혼성화 정도의 차이 측면에서 질소(N)는 2주기 원소로, 2s와 2p 궤도가 에너지적으로 가깝기 때문에 혼성이 매우 잘 일어납니다. 따라서 NH₃에서는 질소의 2s와 2p 궤도가 효과적으로 sp³ 혼성화되어 네 개의 등가 혼성궤도를 형성하고, 이 중 세 개가 H와 결합, 하나가 비공유 전자쌍을 이룹니다. 이때 sp³ 혼성궤도들은 서로 최대한 멀리 배치되어야 하므로, 사면체 구조에 가까운 약 107°의 결합각이 형성됩니다. 반면 인(P)은 3주기 원소로, 3s와 3p 궤도 간의 에너지 차가 커서 혼성화가 잘 일어나지 않습니다. 따라서 PH₃에서는 sp³ 혼성화가 거의 일어나지 않고, 거의 순수한 p궤도들이 수소와 겹쳐 결합을 형성합니다. 이 경우 중심 원자의 p궤도는 서로 90°를 이루기 때문에 때문에, 결합각이 약 93.5° 정도로 작아지게 됩니다.
또한 비공유 전자쌍은 결합전자쌍보다 공간적으로 더 퍼져 있어 결합각을 압축하는 역할을 합니다. 그러나 PH₃에서는 인 원자의 전자 구름이 더 멀리 퍼져 있고, 중심 원자의 전기음성도가 낮기 때문에 비공유 전자쌍의 밀도가 상대적으로 작습니다. 즉, 전자쌍 반발력이 약해 결합각이 거의 90°에 가깝게 유지됩니다. 반대로 NH₃에서는 질소가 전기음성도가 높고, 비공유 전자쌍이 중심 원자 근처에 밀집되어 있어 결합전자쌍과의 반발이 커지므로 결합각이 더 커지게 되는 것입니다. 감사합니다.