물분자는 왜 104.5도의 각도로 꺾여있나요?
안녕하세요 물분자의경우 104.5도정도로 꺾인형태의 분자구조를 갖는것으로 알고있는데요, 전자쌍들이 서로 멀리위치하려면 더 넓은각도로 존재하는게 맞을것 같은데 왜그런지 궁금합니다.
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
물 분자의 구조는 전자쌍 반발 이론으로 설명할 수 있습니다. 이론에 따르면 분자의 가장 안정한 구조는 전자쌍간의 반발력을 최소화하는 구조입니다. 즉, 전자쌍들이 한 곳에 모여있으면 반발력이 크게 작용하므로 적절하게 떨어져 배치됩니다. 물 (H₂O)은 굽은 형태의 분자로, 두 개의 수소 원자 사이의 결합각은 약 104.5도입니다.
물 분자는 두 개의 공유 전자쌍과 두 개의 비공유 전자쌍을 가지고 있습니다. 비공유 전자쌍-비공유 전자쌍 간의 반발력이 매우 크고, 공유 전자쌍-공유 전자쌍 간의 반발력이 비교적 작기 때문에 반발력을 최소화하려면 결합각이 더 작아져야 합니다.
따라서 물 분자의 결합각은 비공유 전자쌍과 공유 전자쌍 간의 반발력을 최소화하는 형태로 그 결합각이 104.5도로 형성된 것입니다.
전자쌍 반발 이론(VSEPR, Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)에 따르면, 전자쌍들은 서로 최대한 멀리 떨어지려는 경향이 있습니다. 물 분자의 중심 원자인 산소(O)는 두 개의 공유 전자쌍(수소 원자와 결합)과 두 개의 비공유 전자쌍(자유 전자쌍)을 가지고 있습니다. 산소 원자의 네 개의 전자쌍(두 개의 공유 전자쌍과 두 개의 비공유 전자쌍)은 정사면체 형태로 배열되려는 경향이 있습니다. 정사면체 배열에서 전자쌍 간의 각도는 약 109.5도입니다. 비공유 전자쌍은 공유 전자쌍보다 공간을 더 많이 차지하며, 더 강한 반발력을 가집니다. 이로 인해 비공유 전자쌍은 공유 전자쌍을 더 강하게 밀어내어 결합각을 좁힙니다.
안녕하세요!
물분자가 104.5도의 각도로 꺾여 있는 이유는 전자쌍 반발 이론(VSEPR, Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)과 혼성 오비탈 이론에 의해 설명될 수 있습니다. 이 두 가지 이론은 분자의 구조와 각도를 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.
전자쌍 반발 이론 전자쌍 반발 이론에 따르면, 분자 내의 전자쌍들은 서로 최대한 멀리 떨어지려는 경향이 있습니다. 물분자(H₂O)는 산소 원자에 두 개의 공유 전자쌍(수소 원자와 결합된 전자쌍)과 두 개의 비공유 전자쌍(자유 전자쌍)을 가지고 있습니다. 이 네 개의 전자쌍은 서로 최대한 멀리 떨어지려 하며, 이상적인 경우 109.5도의 정사면체 배열을 취합니다. 하지만 실제로는 비공유 전자쌍이 공유 전자쌍보다 더 큰 반발력을 가지므로, 공유 전자쌍 간의 각도는 더 작아집니다.
혼성 오비탈 이론 산소 원자의 전자 배치는 2s² 2p⁴로, 두 개의 비공유 전자쌍과 두 개의 결합 전자쌍이 존재합니다. 혼성 오비탈 이론에 따르면, 산소 원자의 2s 오비탈 하나와 2p 오비탈 세 개가 혼성화되어 네 개의 sp³ 혼성 오비탈을 형성합니다. 이 네 개의 sp³ 혼성 오비탈은 정사면체 배열을 이루려 하지만, 비공유 전자쌍이 더 큰 반발력을 가지므로, 결합각이 줄어들게 됩니다.
비공유 전자쌍의 반발력 비공유 전자쌍은 결합 전자쌍보다 공간을 더 많이 차지하고 반발력도 더 큽니다. 물분자의 경우 두 개의 비공유 전자쌍이 두 개의 공유 전자쌍을 더 강하게 밀어내어, 공유 전자쌍 사이의 각도가 109.5도에서 104.5도로 줄어들게 됩니다. 이 때문에 물분자는 "굽은 형태(bent shape)"를 가지게 됩니다.
결론적으로, 물분자가 104.5도의 각도로 꺾여 있는 이유는 전자쌍 간의 반발력 차이와 혼성 오비탈의 형성 때문입니다. 비공유 전자쌍이 공유 전자쌍보다 더 큰 반발력을 가지므로, 결합 각도가 이상적인 정사면체 각도인 109.5도보다 작은 104.5도가 되는 것입니다. 이러한 구조는 물분자의 독특한 성질, 예를 들어 높은 극성과 독특한 수소 결합 특성을 부여합니다.
안녕하세요~~~~
각각의 원자들은 그 크기가 다 다릅니다 .
탄소보단 산소가 크기가 크고 비공유 전자쌍을 가지고 있습니다.
이러한 이유로 인하여 수소와의 결합각이 탄소와 차이가 나는 것입니다.
안녕하세요, 전문가 김찬우 입니다.
물의 독특한 구조 때문입니다.
104.5도는 H2O 의 물분자가 일직선이 아니라 물을 중심으로 수소가 삼각형으로 104.5 도만큼 꺽인 형태를 하고 있습니다. 일직선으로 배열되지 않고 직선 구조이다보니 물분자 자체가 안정하지만 산소쪽으로 전자가 끌리게 되어 높은 극성을 띄게 됩니다.
물과 수소 원자 사이에는 2중결합이 존재하고, 물분자간에는 수소결합이 작용하게 되어 물의 독특하 구조가 만들어지게 됩니다. 이때문에 얼음의 비중이 물도다 낮아 얼음이 물위에 뜨게 됩니다.
104.5도로 수소원자가 산소원자를 중심으로 꺾여 있는 이유는 산소를 중심으로 수소와 결합을 공유하고도 남는 전자가 있어서 수평하지 않고 104.5도 라는 각도를 가지게 됩니다. 최외각 전자와 공유결합 등을 설명드리면 너무 화학적인 설명이 될것 같아서 최대한 쉽게 설명을 해드립니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드리며, 도움이 되셨다면 '추천'과 '좋아요' 부탁드리겠습니다. 추가로 궁금하신 사항이 있으시면 언제든지 댓글달아주시면 답변 드리겠습니다:)
물분자가 104.5도로 꺽여 있는 것은 물분자의 구조때문입니다. 물분자의 전자 배치때문에 그런 구조를 가지고 있습니다.
물분자에는 공유전자쌍 2개 비공유 전자쌍 2개가 있습니다.
비공유 전자쌍은 결합 전자쌍보다 더 큰 반발력을 가지며, 결합 전자쌍을 밀어내어 H-O-H 결합 각도가 109.5도에서 104.5도로 줄어듭니다.
