전자쌍 반발이 분자 모양을 정한다

전자 영역은 서로 반발해 가능한 한 멀리 떨어지려 한다. 개수가 2개면 정반대로 벌어져 직선형 180° 이고, 3개면 평면 삼각형 120° 이며, 4개면 사면체형 109.5° 가 돼요. 5개는 삼각쌍뿔이고, 6개는 팔면체형이다. 개수를 바꾸면 배치가 어떻게 스스로 정해지는지 드러나요. 멀리 떨어지려는 힘이 골격을 고른다.

결합에 쓰인 전자쌍은 두 원자 사이에 묶여 좁게 있지만, 고립 전자쌍은 한 원자에만 매여 더 넓게 부푼다. 그래서 이웃한 결합쌍을 더 세게 밀어붙여요. 물은 전자 영역이 4개라 이상적으로는 109.5° 여야 하지만, 고립쌍 2개가 밀어 H-O-H 각이 104.5° 로 좁아지고 분자가 굽는다. 고립쌍을 켜고 끄면 각이 줄어드는 것이 그대로 보여요. 부푼 쌍이 각을 누른다.

분자 모양을 말할 때는 전자쌍 배열과 원자 위치를 구분해야 한다. 전자 영역이 4개면 배열은 늘 사면체형이지만, 그중 일부가 고립쌍이면 눈에 보이는 원자만으로 판단한 모양은 달라져요. AX₄ 는 사면체형 그대로이고, 고립쌍 1개인 AX₃E 는 삼각뿔형이며, 고립쌍 2개인 AX₂E₂ 는 굽은형이 된다. 전자 영역 전체와 원자만 보이는 모습을 오가면 차이가 드러나요. 숨은 쌍이 이름을 바꾼다.

전자 영역이 왜 하필 그 배치로 정해질까요. 각 쌍이 서로 밀어내는 반발 에너지의 합이 가장 작은 곳이기 때문이다. 화면의 한 영역을 끌어 최적 위치에서 벗어나게 하면, 이웃과 가까워질수록 반발 에너지의 합이 치솟아요. 손을 놓으면 다시 가장 멀리 벌어진 최소 에너지 배치로 되돌아간다. 그 최소점이 바로 우리가 관찰하는 분자 모양이에요. 가장 낮은 합이 모양이다.

각 결합은 전기음성도 차이 때문에 한쪽으로 전자가 쏠린 작은 쌍극자다. 분자 전체의 극성은 이 결합 쌍극자들을 벡터로 더한 값이에요. 이산화탄소는 두 C=O 쌍극자가 정반대라 서로 상쇄돼 알짜가 0인 무극성이다. 물은 굽어 있어 두 O-H 쌍극자가 상쇄되지 않고 한쪽으로 합쳐져, 알짜 쌍극자가 남아 극성이 돼요. 결합 쌍극자와 알짜 쌍극자를 오가면 방향의 합이 확인된다. 방향의 합이 극성을 말한다.