Chapter 9_분자의 기하구조와 결합 이론 (Molecular Geometry and Boning Theories)_쌍극자모멘트

이번에는 "분자"의 대해 조금 더 깊이 알아보고자 한다. 이전 글을 다시 상기해보면, 분자는 "두 개 이상의 원자가 화학 결합으로 연결된 가장 작은 입자"로 설명을 하였다. 조금 더 깊이 풀어보면, "원자"는 물질을 구성하는 기본 단위를 의미하는 것으로 주기율표에 있는 것들을 말한다. 하지만, "분자"는 이런 원자들이 화학 결합을 통해 서로 "붙어"서 만들어진 (합성) 것을 말한다. 일반적으로 특징은 '눈에는 보이지 않을 만큼 작고', '특정한 구조(모양)를 가지고 있으며', '구조에 따라 달라지는' 성질을 가지고 있는 것으로, 이 구조가 어떠한 것이 있는지 부터 알아보자.

9.1 분자의 모양과 크기

• 분자의 모양과 크기는 결합각과 결합 길이에 의해 결정됨.
• 분자의 기본적인 형상: 선형(linear), 삼각 평면(trigonal planar), 사면체(tetrahedral), 삼각쌍뿔(trigonal bipyramidal), 팔면체(octahedral).

물 분자의 결합 각도

9.2 VSEPR(원자가 전자쌍 반발) 이론

• 분자의 형상은 중심 원자 주위의 전자 영역 간의 반발 최소화에 의해 결정됨.
• 전자 영역은 **결합 전자쌍(공유 전자)**과 **비공유 전자쌍(고립 전자쌍)**으로 나뉨.
• 비공유 전자쌍이 결합 전자쌍보다 더 강한 반발력을 가지며, 이로 인해 이상적인 결합각에서 벗어남.
• 다중 결합(이중, 삼중 결합)은 단일 결합보다 더 큰 반발력 유발.
• 전자 영역 기하구조와 분자 기하구조는 다를 수 있음.
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Polar and nonpolar molecules containing polar bonds

9.3 분자의 극성과 쌍극자 모멘트

• 분자의 극성은 개별 결합의 쌍극자 모멘트의 벡터 합으로 결정됨.
• 결합 쌍극자가 서로 상쇄되면 비극성 분자(예: CO₂, BF₃), 상쇄되지 않으면 극성 분자(예: H₂O, NH₃).

이 부분의 대하 조금 더 깊이 생각해 보자. "쌍극자 모멘트"의 의미는 '양전하와 음전하가 분리되어 있는 시스템'을 말한다. 이 전하 사이의 거리와 전하의 크기를 곱한 것이 쌍극자 모멘트인 것이다. 앞에 있는 물 분자를 예로 들어 설명하면, 산소는 전기음성도가 높아서 전자를 더 강하게 끌어당기게 되어, 수소에서 산소 방향으로 전자가 쏠려 있음을 말하는데, 이는 부분적인 전하 분포 형성을 이루게 된다. 즉, 이로인한 Force로 인해, 물 분자는 Bent (구부러짐 현상)구조가 되어 전하 분리가 한쪽 방향으로 정렬되게된다. 결국, 이러한 현상으로 뚜렷한 쌍극자 모멘트가 발생하게 된다.

 

9.4 원자가 결합 이론 (Valence Bond Theory)

• 공유 결합은 원자 오비탈의 중첩(overlap)에 의해 형성됨.
• 결합이 형성될 때 오비탈이 겹치는 영역은 에너지가 낮고 안정한 상태를 형성.
• 오비탈 중첩이 클수록 결합이 강함.

몇 가지 중요한 내용 등이 언급되었지만, 고등학교 수업 시간에 한번은 들어봤음직한 내용들이라 생각한다. 다음 글은 "원자가 결합 이론"의 대해 조금 더 깊이 설명해보고자 한다. 공유결합의 기반한 화학결합과 관련 된 것으로 분자 자체의 Geometry를 이해하는데 많은 도움이 될 것이기 때문이다.