분자의 구조, 전자쌍 반발 이론(VSEPR theory)

분자의 구조는 분자의 화학적 성질을 결정하는 중요한 요소입니다. 분자의 구조는 중심 원자가 가지는 전자쌍의 수에 따라 달라지는데요, 중심 원자를 둘러싼 전자쌍들은 그들 사이의 반발을 최소로 하기 위해 가능한 멀리 떨어져 배치되려 합니다.

원자가 전자쌍 반발 이론(VSEPR theory)

원자가 전자쌍 반발이론(VSEPR theory: Valence shell electron pair repulsion theory)은 중심 원자의 전자쌍 수(배위수)와 반발 원리를 통해 분자 구조를 예측하는 이론입니다.

전자쌍 사이의 반발로 인해 중심 원자의 전자쌍은 가능한 멀리 떨어져 배치된다는 것입니다. 위의 풍선 그림에서처럼 전자쌍이 2개일 때는 양쪽 끝에, 3개일 때는 삼각형의 꼭짓점에, 4개일 때는 정사면체의 꼭짓점에 전자쌍이 위치합니다.

즉, 중심원자 주위를 둘러싸고 있는 전자쌍의 수가 분자의 구조를 결정하는데 큰 역할을 합니다.

분자에서 중심 원자 주위에 존재하는 전자쌍 수를 말합니다. 전자쌍은 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍을 모두 포함하며, 이때 이중결합이나 삼중결합도 하나의 전자쌍으로 취급합니다.

예를 들어 암모니아(NH₃)는 공유 전자쌍 3개, 비공유 전자쌍 1개로 입체수는 4입니다.

입체수에 따른 분자의 구조는 다음과 같습니다.

비공유 전자쌍이 있는 분자의 구조도 VSEPR 이론을 이용하여 예측할 수 있습니다. 위에서 찾은 입체수에 따른 분자구조 모형에서 하나를 비공유 전자쌍으로 치환하면 됩니다.

예를 들면 비공유 전자쌍이 하나 있는 암모니아(NH₃)의 구조는 다음과 같이 예측할 수 있습니다.

암모니아는 입체수가 4이므로 정사면체 구조를 갖습니다. 이중 하나가 비공유 전자쌍일 뿐이지요.

다만, 비공유 전자쌍의 반발이 공유전자쌍의 반발보다 크므로 결합각이 조금 줄어들게 됩니다.

다음은 입체수가 5인 경우에 비공유 전자쌍 수에 따른 분자 구조입니다.(노란색은 비공유 전자쌍)

이 역시 공유전자쌍의 반발보다 비공유전자쌍의 반발이 더 크기 때문이에요.

이중 결합, 삼중 결합 등의 다중 결합이 있는 분자의 구조는 다중결합을 하나의 전자쌍으로 간주하여 입체수를 구하면 됩니다.

예를 들어 이산화 탄소(CO₂)는 탄소를 중심으로 두 개의 산소와 이중 결합을 가지고 있지요. 이 이중 결합 하나하나를 전자쌍으로 간주하면 입체수는 2가 되고 직선 구조를 갖게 됩니다.

VSEPR 이론을 통해 분자의 구조를 쉽게 예측할 수 있습니다. 하지만 이러한 VSEPR 이론도 H₂S, PH₃ 등의 분자가 정사면체의 결합각이 아닌 거의 직각에 가까운 결합각을 이루는 이유를 설명하지 못한다는 한계가 있습니다.