분자의 모양(VSEPR)

메테인의 결합각은 109.5°, 암모니아는 107°, 물은 104.5°입니다. 셋 모두 중심 원자 둘레에 전자쌍이 4개입니다.

풍선 네 개의 꼭지를 한데 묶으면 저절로 어떤 모양에 자리를 잡습니다. 서로 될 수 있는 대로 멀어지면서 정사면체의 꼭짓점을 향합니다. 원자 둘레의 전자쌍도 아주 비슷하게 움직입니다. 모두 (−) 전하를 띠어 서로 밀어내고, 그 반발이 가장 작아지도록 퍼집니다. 분자의 모양은 전자쌍이 자리 잡은 곳에서 나옵니다.

이 생각을 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론, 줄여서 VSEPR이라고 하며, 1957년 로널드 길레스피와 로널드 니홈이 정리했습니다. 쓰는 법은 중심 원자 둘레의 전자 영역을 세는 것입니다. 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합은 전자가 모두 같은 방향을 가리키므로 각각 영역 하나로 셉니다. 결합에 쓰이지 않고 원자에 남아 있는 전자쌍(비공유 전자쌍)도 영역 하나로 셉니다.

영역 2개, 3개, 4개

영역 2개는 서로 반대쪽, 180°를 이루어 직선형 분자가 됩니다. 이산화 탄소 O=C=O는 탄소에 이중 결합 2개만 있고 비공유 전자쌍이 없어서 일직선입니다. 영역 3개는 120°씩 벌어진 평평한 삼각형, 평면 삼각형으로 퍼집니다. 에텐의 탄소는 영역이 3개(C-H 결합 2개, C=C 이중 결합 1개)이고 분자 전체가 평평합니다. 실제 H-C-H 각은 117.6°로 이상값에 가깝습니다. 영역 4개는 정사면체의 꼭짓점을 향해 109.5°를 이룹니다. 메테인이 대표 예입니다.

비공유 전자쌍이 각을 좁힙니다

암모니아와 물도 중심 원자 둘레의 영역은 4개이지만, 그 가운데 일부가 비공유 전자쌍입니다. NH₃의 질소는 결합 3개와 비공유 전자쌍 1개, H₂O의 산소는 결합 2개와 비공유 전자쌍 2개를 가집니다. 비공유 전자쌍은 원자핵 하나에만 붙잡혀 그 원자 가까이 넓게 퍼지므로, 결합 전자쌍보다 이웃 결합을 더 세게 밀어냅니다. 그래서 결합끼리 좁혀집니다. 암모니아의 H-N-H 각은 109.5°에서 약 107°로, 비공유 전자쌍이 2개인 물의 H-O-H 각은 104.5°로 더 좁아집니다.

모양 이름은 비공유 전자쌍이 아니라 원자의 위치를 보고 붙입니다. 암모니아는 질소가 꼭대기에 있는 낮은 피라미드라서 삼각뿔형이라고 부릅니다. 물은 굽은형입니다. 모형에서 「비공유 전자쌍」을 켜면 암모니아 정사면체의 보이지 않던 넷째 꼭짓점과, 물의 정사면체를 채우는 두 꼭짓점이 보입니다. 모형은 노란 덩어리 안에 전자를 뜻하는 작은 점 두 개를 그렸지만, 실제 비공유 전자쌍은 테두리 없는 전하 구름입니다.

큰 분자에는 중심 원자가 여럿 있고, 중심마다 같은 규칙을 적용합니다. 에테인의 탄소는 모두 단일 결합이 4개라 탄소마다 사면체형이고, 분자는 3차원으로 지그재그를 이룹니다. 메탄올 CH₃OH의 탄소는 사면체형이고, 결합 2개와 비공유 전자쌍 2개를 가진 산소는 물의 산소처럼 굽은형입니다. 벤젠은 반대의 예입니다. 탄소 6개가 모두 영역이 3개라서, 원자 12개가 120° 각의 육각형으로 평평하게 놓입니다. 모형에서 하나씩 골라 옆에서 보며 확인해 보세요.