전자쌍 반발과 분자 기하학
Shared on June 10, 2026
전자쌍 반발 이론과 혼성화
개요
이 강의는 VSEPR 이론(Valence Shell Electron Pair Repulsion), 루이스 구조 그리고 혼성화 개념을 통해 분자 구조와 결합각, 극성, 전자배치 등을 설명한다. 실험적 관찰과 예시 분자를 통해 이론을 구체적으로 적용하는 방법을 다룬다.
핵심 개념
| 개념 | 핵심 내용 |
|---|---|
| VSEPR 이론 | 중심 원자 주변의 전자쌍(공유·비공유)의 반발력으로 분자 기하학을 예측 |
| 결합각 | 전자쌍 수에 따른 예측값: 2쌍 → 180°, 3쌍 → 120°, 4쌍 → 109.5°, 5쌍 → 90°, 6쌍 → 90° 등 |
| 루이스 구조 | 전자쌍을 점·선으로 표시, 이중·삼중 결합은 단일 결합으로 계산 |
| 혼성화 | 전자구름(오비탈)의 재배치: sp, sp², sp³, sp³d, sp³d² 등 |
| σ·π 결합 | σ 결합은 혼성 오비탈(또는 p)끼리의 끝끝 결합, π 결합은 p–p 사이의 나란 결합 |
| 전기음성도·극성 | 전기음성도 차이가 클수록 전자밀도가 한쪽으로 치우쳐 dipole moment 발생 |
| 다이폴 모멘트 | μ = q·d, q는 전하량, d는 전하간 거리 |
상세 내용
1. VSEPR 이론과 결합각
- 전자쌍 수에 따른 기하학
- 2쌍 → 선형(180°)
- 3쌍 → 평면삼각형(120°)
- 4쌍 → 정사면체(109.5°)
- 5쌍 → 평면사각형(90°)
- 6쌍 → 정팔면체(90°)
- 비공유 전자쌍이 있으면 반발력이 더 크므로 결합각이 줄어든다.
- 예: 물(H₂O) – 2공유 + 2비공유 → 104.5° (비공유–비공유 반발력이 가장 강함)
- 암모니아(NH₃) – 3공유 + 1비공유 → 107° (비공유–공유 반발력이 중간)
2. 루이스 구조 그리기
- 단일 결합만으로 계산 → 이중·삼중 결합은 두 개의 단일 결합으로 대체
- 전자쌍 수 계산:
- 중심 원자 전자쌍 + 비공유 전자쌍 = 총 전자쌍
- 예시
- 메테인(CH₄): 4공유 → 정사면체
- 이산화탄소(CO₂): 2이중결합 → 선형 (2비공유)
- 질산(HNO₃): 5전자쌍 → 평면사각형
3. 혼성화 개념
| 혼성화 | 오비탈 구성 | 수용 전자쌍 | 대표 분자 | 결합 형태 |
|---|---|---|---|---|
| sp | 1s + 1p | 2 | H₂, CO | 선형, 180° |
| sp² | 1s + 2p | 3 | CH₃Cl, BF₃ | 평면삼각형, 120° |
| sp³ | 1s + 3p | 4 | CH₄, NH₃ | 정사면체, 109.5° |
| sp³d | 1s + 3p + 1d | 5 | SF₄ | 평면사각형, 90° |
| sp³d² | 1s + 3p + 2d | 6 | XeF₆ | 정팔면체, 90° |
- 혼성화의 목적: 전자배치를 낮은 에너지 상태로 재배치해 결합 안정화
- σ 결합은 혼성 오비탈(또는 p)끼리 끝끝으로 결합
- π 결합은 비혼성 p–p 사이에서 나란 결합(이중·삼중 결합에 존재)
4. 극성·다이폴 모멘트
- 전기음성도 차이가 클수록 전자밀도가 한쪽 원자에 집중 → 극성 분자
- 예: HF, HCl, H₂O
- 다이폴 모멘트(μ) 계산: μ = q·d
- q: 전하량, d: 전하간 거리
- 비극성: 전기음성도 차이가 없거나 대칭 구조 → μ = 0
- 예: CH₄, O₂, N₂
- 시스·트랜스(cis/trans) 이성형은 대칭 여부에 따라 μ가 달라짐
5. 실전 예시 정리
| 분자 | 전자쌍 수 | 구조 | 혼성화 | 결합각 | 극성 여부 |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂O | 4 (2공유+2비공유) | 평면삼각형 | sp³ | 104.5° | 극성 |
| NH₃ | 4 (3공유+1비공유) | 평면삼각형 | sp³ | 107° | 극성 |
| CH₄ | 4 (4공유) | 정사면체 | sp³ | 109.5° | 비극성 |
| CO₂ | 2 (2이중결합) | 선형 | sp | 180° | 비극성 |
| HF | 2 (1공유+1비공유) | 선형 | sp | 180° | 극성 |
| SF₄ | 5 (4공유+1비공유) | 평면사각형 | sp³d | 90° | 극성 |
| XeF₆ | 6 (5공유+1비공유) | 정팔면체 | sp³d² | 90° | 극성 |
마무리
- VSEPR 이론으로 분자 기하학을 예측하고, 루이스 구조를 통해 전자쌍 배치를 시각화한다.
- 혼성화는 전자배치를 낮은 에너지로 재배치해 결합을 안정화시키며, σ·π 결합 구분은 결합의 성질을 이해하는 데 필수적이다.
- 전기음성도와 전자밀도 분포를 통해 분자의 극성을 판단하고, 다이폴 모멘트를 계산해 물리적·화학적 특성을 예측한다.
핵심 포인트
- 전자쌍 반발이 분자 구조를 결정한다.
- 혼성화는 결합을 안정화시키는 핵심 메커니즘이다.
- 극성은 전기음성도 차이와 구조 대칭성에 따라 결정된다.