화학 분자의 전자쌍 반발 원리
3개 이상의 원자로 구성된 분자는 루이스 전자점식에 나타난 것과 같이 이차원적인 평면 구조가 아니라 삼차원적인 입체 구조를 갖는다.분자의 구조는 분자의 극성을 설명하는데 매우 중요하다.분자의 극성은 분자 간의 힘과 밀접한 관련이 있기 때문이다.만약 중심원자의 공유 전자쌍이 놓여 있는 방향을 알 수 있다면,공유 전자쌍과 연결된 결합 원자의 위치도 알 수 있다.이렇게 전자쌍의 위치를 통해 분자의 모양을 예측하는 이론이 전자쌍 반발 원리이다.
(1)전자쌍 반발 원리-전자쌍 반발원리란 분자가 입체 구조를 이룰 때 중심 원자에 존재하는 여러 개의 전자쌍이 서로 반발하여 최대한 멀리 떨어지게 되는 기하학적 구조를 갖는다는 원리이다.분자는 원자와 원자 사이에 공유 결합을 형성한다.중심 원자는 여러 개의 전자쌍을 가지며,이들은 모두 음전하를 띠고 있다.따라서 중심 원자를 둘러싼 전자쌍들은 서로 반발하여 최대한 멀리 떨어지려고 할 것이다.전자쌍들은 반발력을 최소화하고 어느 한쪽 방향의 반발력이 더 강하거나 약하지 않도록 균형을 이루는 지점에 자리 잡는다.중심 원자 주변에 공유 전자쌍이 놓이는 방향과 결합 원자들이 놓이는 방향은 같다.따라서 전자쌍이 배치되는 모양을 알면 분자 전체의 구조를 알 수 있다.분자의 구조로부터 결합각을 알 수 있는데,결합각은 중심 원자와 결합 원자들의 핵과 핵을 연결한 선들로부터 생기는 중심각이며 결합각의 크기는 전자쌍 반발에 의해 결정된다.이떄 중심 원자 주변에 존재하는 전자쌍의 수를 입체 수라고 한다.
(2)간단한 분자의 구조-중심 원자 주변에 전자쌍이 배치되는 모양을 통해 분자의 구조를 알아보자.그중에서 가자 간단한 경우는 중심 원자 주변에 배치된 원자가 모두 같은 원자인 경우이다.공유 전자쌍의 수에 따른 분자의 구조는 다음과 같다.전자쌍 반발 원리에 따르면 입체 수가 2인 분자는 중심 원자 양쪽에 있는 두 전자쌍이 서로 반발하여 최대한 멀리 떨어지려 하기 때문에 결합각이 180도인 직선형 구조를,입체 수가 3인 분자는 3개의 전자쌍이 반발하여 결합각이 120도인 평면 삼각형 구조를 이룬다.마찬가지로 입체 수가 4인 분자는 4개의 전자쌍이 반발하여 정사면체를 이룬다.하지만 결합된 원자의 종류에 따라 비대칭적인 구조를 가질 수 있다.예를 들어 BF2는 평면 삼각형이지만 수소 원자 1개가 염소로 치환된 BF2CL는 B-F결합과 B-CL결합의 길이가 다르므로 정삼각형이 되지는 않는다.마찬가지로 CH4는 정사면체가 되지만 CH3CL은 C-CL결합이 다른 쪽보다 긴 사면체이다.
(3)다중 결합이 있는 분자의 구조-분자의 구조를 결정할 때에는 다중 결합은 하느이 결합으로 취급한다.예를 들어 이산화 타소는 2개의 C=O 2중 결합을 갖고 있고,중심 원자인 탄소 주변에는 공유 전자쌍이 4개 존재한다.하지만 결합을 이루는전자들은 같은 방향에 있어야 하므로 결국 탄소 주변의 전자쌍은 두 방향으로 분리된다.즉,이산화 탄소에서 탄소의 입체 수는 2이다.같은 원리로 폼알데하이드의 구조를 살펴보자.중심 원자인 탄소 주변에는 공유 전잠쌍이 4개 있지만 C=O결합을 구성하는 공유 전자쌍 2개는 반드시 같은 방향에 있어야 하므로,전자쌍은 총 세 방향으로 흩어진다.즉,폼알데하이드에서 탄소의 입체 수는 3이다.따라서 구조는 다음과 같다.폼알에하이드에서 결합각은 120도가 아님을 주목하자.2중 결합은 단일 결합에 비해 더 많은 전자를 갖고 있기 때문에 다른 전자쌍들과 더 강하게 반발한다.따라서 H-C=O결합각은 H-C-H결합각 보다 크다.탄산 이온이나 질산 이온의 구조도 폼알데하이드와 비슷하다.각각의 구조는 다음과 같은 평면 삼각형 구조이다.탄산 이온이나 질산 ㅇ이온은 폼알데하이드와는 다르게 3개의 결합이 서로 구분되지 않는 공명 구조를 갖기 떄문에 전자는 고르게 분포되어 있고,어느 한쪽의 전자 밀도가 다른 쪽보다 크지 않다.따라서 이들의 결합각은 120도이다.
(4)중심 원자에 비공유 전자쌍이 있는 분자의 구조-분자 내 중심 원자에는 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍이 함께 존재할 수 있으며,이떄 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍이 반발력에 영향을 미치는 정도가 다르다.비공유 전자쌍은 공유 전자쌍에 비해 중심 원자에 좀 더 가까이에 있기 때문에 다른 전자쌍들과 더 크게 반발한다.따라서 결합각은 공유 결합만 있는 구조에 비해 비공유 전자쌍이 있는 구조에서 더작아진다.일반적으로 전잠쌍 사이의 반발력의 세기는 다음과 같은 순서에 따른다 비공유-비공유,비공유-공유,공유-공유,예를 들어 이산화 황은 아래와 같은 구조를 갖는다.여기서 중심 원자인 황주변의 전자쌍은 세 방향으로 흩어져서 평면 삼각형 모양으로 배열된다.하지만 비공유 전자쌍의 반발력이 크게 작용하므로 O-S=O결합각은 120도 보다 조금 작아진다.이런 형태의 분자모양을 굽은형이라고 한다.물이나 암모니아는 모두 중심 원자 주변에 4개의 전자쌍을 갖는다.따라서 이들 분자에서는 중심 원자 주변의 전자쌍들이 사면체 방향으로 배열될 것이다.