seegongsik
고등학교 1~2학년 (15-17세)

분자의 구조

Molecular Structure (VSEPR)

분자의 모양은 중심 원자 둘레의 전자쌍들이 서로 밀어내며 가능한 한 멀리 떨어지려는 성질로 정해지는데, 이를 전자쌍 반발 이론(VSEPR)이라고 해요. 중심 원자에 결합한 원자 수와 비공유 전자쌍 수에 따라 직선형, 평면 삼각형, 정사면체, 삼각뿔, 굽은형 같은 모양이 나오고, 비공유 전자쌍이 많을수록 결합각이 좁아져요. 결합 하나하나가 극성이어도 모양이 대칭이면 극성이 서로 상쇄되어 무극성 분자가 되므로, 분자의 극성은 모양을 알아야 판단할 수 있어요. 그림에서 구조를 바꾸면 예시 분자의 원자 배치와 결합각, 극성이 함께 바뀌어요.

분자는 왜 정해진 모양을 가질까

💡 풍선 묶기에 빗대면
①풍선 두 개를 한데 묶으면 서로 반대쪽을 향해 일직선(180°)이 된다
②세 개를 묶으면 한 평면에서 120° 씩 벌어진다
③네 개를 묶으면 평면으로는 자리가 모자라 입체로 벌어지고, 정사면체(109.5°)가 된다
④전자쌍도 풍선처럼 서로 밀어내므로 가장 멀리 떨어지는 배치를 고른다. 이것이 전자쌍 반발 이론(VSEPR)이다

전자쌍 반발 이론으로 본 여섯 가지 모양

직선형
🔍 여섯 구조 비교
①직선형(CO₂): 결합한 원자 2, 비공유 전자쌍 0. 이중 결합도 한 방향으로 세므로 C 둘레의 전자쌍 무리는 둘뿐이다 → 무극성
②평면 삼각형(BF₃): 결합한 원자 3, 비공유 0 → 무극성
③굽은형(SO₂): 결합한 원자 2, 비공유 1. 전자쌍 무리 셋이 평면 삼각형으로 놓이고 그중 하나가 비공유라서 모양이 굽는다 → 극성
④정사면체(CH₄): 결합한 원자 4, 비공유 0 → 무극성
⑤삼각뿔(NH₃): 결합한 원자 3, 비공유 1. 전자쌍 무리 넷이 정사면체로 놓이고 꼭대기를 비공유 전자쌍이 차지한다 → 극성
⑥굽은형(H₂O): 결합한 원자 2, 비공유 2 → 극성

비공유 전자쌍과 결합각

VSEPR 핵심
반발의 세기: 비공유-비공유 > 비공유-결합 > 결합-결합
비공유 전자쌍이 더 넓은 공간을 차지해 결합 전자쌍을 밀어붙인다
결합각 비교
CH₄(109.5°) > NH₃(107°) > H₂O(104.5°)
전자쌍 무리 넷 가운데 비공유 전자쌍이 0 → 1 → 2개로 늘면 결합각이 점점 좁아진다
💡 비공유 전자쌍이 결합각을 좁히는 까닭
①결합 전자쌍은 두 원자핵 사이에 붙잡혀 가늘게 뻗는다
②비공유 전자쌍은 중심 원자핵 하나에만 묶여 있어 중심 원자 가까이에서 더 넓게 퍼진다
③넓게 퍼진 비공유 전자쌍이 결합 전자쌍들을 더 세게 밀어 결합 사이의 각이 좁아진다
④그래서 같은 정사면체 배치에서도 결합각이 CH₄ 109.5°, NH₃ 107°, H₂O 104.5° 로 줄어든다. 그림에서 세 구조를 차례로 넘기면 비공유 전자쌍이 하나씩 늘어난다

극성 판단

분자의 극성 판단

모양과 극성
모양예대칭극성
직선형CO₂O무극성
평면삼각형BF₃O무극성
굽은형H₂O, SO₂X극성
정사면체CH₄, CCl₄O무극성
삼각뿔NH₃X극성
💡 극성 분자를 가리는 세 단계
①각 결합이 극성인지 본다. 두 원자의 전기 음성도가 다르면 극성 결합이다
②분자 모양이 대칭인지 본다. 모양은 VSEPR 로 정한다
③대칭이면 결합의 쌍극자가 서로 상쇄되어 무극성이다. CO₂ 의 두 C=O 는 정반대를 향해 상쇄된다
④비대칭이면 쌍극자의 합이 0 이 아니어서 극성이다. H₂O 는 굽어 있어 두 O–H 의 쌍극자가 상쇄되지 않는다
⑤그래서 같은 극성 결합으로 이루어져도 모양에 따라 분자의 극성이 갈린다

직접 풀어보기

예제 1
메테인(CH₄) 분자의 모양과 결합각을 구하시오.
1
중심 원자 C 둘레의 전자쌍 무리를 센다. H 4개와 결합했고 비공유 전자쌍은 없다.
C 둘레 전자쌍 무리 4 (결합 4, 비공유 0)
2
전자쌍 무리 넷이 가장 멀리 떨어지는 배치는 정사면체이고, 모두 결합이므로 모양도 정사면체다.
정사면체형, 109.5°
▸ 정사면체형, 109.5°
비공유 전자쌍이 없으면 결합각이 줄지 않아 109.5° 그대로다. 그림의 정사면체에서 쐐기와 점선이 입체로 뻗은 두 결합이다.
예제 2
물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)의 분자 모양을 비교하시오.
1
H₂O 는 중심 O 에 결합한 원자 2개와 비공유 전자쌍 2개, 모두 네 개의 전자쌍 무리가 있다.
H₂O: 정사면체 배치에서 두 자리가 비공유 → 굽은형, 104.5°
2
CO₂ 는 중심 C 에 이중 결합 2개가 있고 비공유 전자쌍이 없어 전자쌍 무리가 둘이다.
CO₂: 전자쌍 무리 2, 비공유 0 → 직선형, 180°
▸ H₂O 굽은형, CO₂ 직선형
두 분자 모두 중심 원자에 원자 둘이 결합했지만, 비공유 전자쌍이 있느냐 없느냐가 굽은형과 직선형을 가른다. 그래서 H₂O 는 극성, CO₂ 는 무극성이다.

총정리

분자 모양을 정하는 순서
① 중심 원자 둘레의 전자쌍 무리 세기 → ② 비공유 전자쌍 수 확인 → ③ 모양 결정
전자쌍 무리 = 결합한 원자 수(다중 결합도 1) + 비공유 전자쌍 수
2022 평가원 모평 화학Ⅰ 유형 변형
다음 분자 중 분자 모양이 직선형인 것은?
①H₂O
②NH₃
③CH₄
④CO₂
⑤SO₂
▸ ④ CO₂
1
각 분자에서 중심 원자 둘레의 전자쌍 무리 수와 비공유 전자쌍 수를 센다.
2
H₂O, NH₃, SO₂ 는 비공유 전자쌍이 있어 굽거나 뿔 모양이 되고, CH₄ 는 정사면체다. 전자쌍 무리가 둘뿐이고 비공유 전자쌍이 없는 것은 CO₂ 하나다.
O=C=O: 전자쌍 무리 2, 비공유 0 → 직선형 180°
🎯 시험 포인트
①VSEPR: 중심 원자 둘레의 전자쌍 무리는 서로 가장 멀리 떨어지게 놓인다
②다중 결합은 전자쌍 무리 하나로 센다
③비공유 전자쌍은 더 넓은 공간을 차지해 결합각을 줄인다
④CH₄ 정사면체(무극성), NH₃ 삼각뿔(극성), H₂O 굽은형(극성), CO₂ 직선형(무극성)
⑤분자의 극성은 결합의 극성과 모양의 대칭을 함께 보고 판단한다
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공유 결합
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전기음성도와 결합의 극성

마지막 수정

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