[일반화학] 17. VSEPR 모형

[일반화학] 17. VSEPR 모형

앞에서 다룬 전자점(electron-dot) 구조는 공유결합의 위치를 확인하는 간단한 방법이나 분자구조의 정밀한 그림을 그리기 위해서는 그 이상의 정보가 필요하다. 전자점 구조는 2차원이지만 분자는 3차원이고, 전자점 구조만으로는 전자확률(electron probability)을 설명하는데 양자역학적 조건에서 공유결합의 성질을 설명할 수 없다.

3차원 모양은 분자의 화학적, 생물학적 기능을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 다음은 물($\text{H}_{2}\text{O}$), 암모니아($\text{NH}_{3}$), 메테인($\text{CH}_{4}$)의 3차원 모양을 나타낸 것이다.

이러한 3차원 모양으로 분자를 그리는 것은 유용하다. 분자 모양은 결합원자의 전자구조에 따라 결정된다. 어떤 분자의 대략적 구조는 원자가껍질 전자쌍 반발모형(valence-shell electron pair repulsion(VSEPR) model)을 이용해서 예측할 수 있다. 결합전자 및 고립전자쌍들은 서로 반발해 멀리 떨어져서 고유한 분자모양을 갖게 되어서 '전하구름'으로 간주할 수 있다. 다음은 VSEPR모형을 적용하는데 필요한 두 단계이다.

1. 전자점 구조의 방식대로 전자점 구조를 그리고 중심원자 주위의 전하구름 수를 센다. 여기서 전하구름은 화학결합이나 고립전자쌍에서 원자 주변영역을 차지하고 있는 한 그룹의 전자이다.

2. 전하구름은 공간에서 가능한 서로 멀리 떨어지도록 배향한다는 가정 하에 각 원자 주위 전하구름의 공간적 배치를 예측한다. 방향은 전자구름의 수에 따라 결정된다. 

2개의 전하구름: $\text{CO}_{2}$와 $\text{HCN}$은 선형분자이고, 결합각(bond angle)은 $180^{\circ}$이다.

3개의 전하구름: 폼알데하이드($\text{HCHO}$) 분자는 평면 삼각형 모양(trigonal planar shape)이고, $\text{H}-\text{C}-\text{H}$와 $\text{H}-\text{C}=\text{O}$결합각은 $120^{\circ}$에 가깝다.

$\text{SO}_{2}$분자도 삼각 평면 배열을 갖지만 삼각형의 한 꼭짓점은 1개의 고립전자쌍이, 두 꼭짓점은 산소 원자가 점유하므로 이 분자는 굽은모양(bent shape)이고 $\text{O}-\text{S}=\text{O}$결합각은 $180^{\circ}$가 아닌 약 $120^{\circ}$이다.

주의할 점은 모양(shape)은 한 분자 안에서 전체 원자의 배열을 의미하는 것이지 특정 원자 주위의 전하구름의 기하적인 배열을 의미하지 않는다.      

4개의 전하구름: 메테인($\text{CH}_{4}$), 암모니아($\text{NH}_{3}$), 물($\text{H}_{2}\text{O}$)의 중심 원자처럼 4개의 전하구름이 있을 때 그 구름들은 정사면체의 꼭짓점을 향하는 구조를 가질 때 가장 멀리 떨어져 있을 수 있다.

위의 그림의 왼쪽의 정사면체는 동일한 4개의 면이 정삼각형으로 이루어진 기하 구조이다. 중심 원자는 사면체 중심에 위치하고, 전하구름은 네 꼭짓점을 향하며, 중심에서 어떠한 두 꼭짓점으로 그린 두 선 사이의 각은 $109.5^{\circ}$이다.

메테인은 $109.5^{\circ}$의 $\text{H}-\text{C}-\text{H}$결합각을 갖는 사면체 구조를 갖는다. 암모니아에서 질소 원자의 4개 전하구름은 사면체 배열을 하고 있으나 그 사면체의 꼭짓점 중 하나는 1개의 고립 전자쌍에 의해 점유되기 때문에 분자의 모양은 삼각뿔이다. 마찬가지로 물은 사면체의 두 꼭짓점이 고립 전자쌍에 의해 점유되고 따라서 굽은 모양을 갖고 있다. 고립 전자쌍 때문에 암모니아의 $\text{H}-\text{N}-\text{H}$ 결합각은 $107^{\circ}$이고 물의 $\text{H}-\text{O}-\text{H}$ 결합각은 $104.5^{\circ}$이다. 이것으로부터 고립 전자쌍의 전자구름은 다른 부분의 결합각을 축소시킴을 알 수 있다.

5개의 전하구름: $\text{PCl}_{5}$, $\text{SF}_{4}$, $\text{ClF}_{3}$, $\text{I}_{3}^{-}$의 중심원자에서 발견되듯이, 5개의 전하구름은 삼각쌍뿔(trigonal bipyramid)이라고 불리는 기하학적 구조의 꼭짓점을 향한다.

3개의 전하구름은 평면에 위치해서 정삼각형의 꼭짓점을 향하고, 네 번째 전하구름은 똑바로 위쪽을, 다섯 번째 전하구름은 똑바로 아래쪽을 향한다.

삼각쌍뿔 구조를 갖는 물질은 5개의 전하구름이 결합 전자인가 또는 비결합 전자인가에 따라 다른 모양을 갖는다.

-$\text{PCl}_{5}$에서 인 원자($\text{P}$)는 주위의 5개의 위치를 모두 염소 원자가 차지하기 때문에 삼각쌍뿔 모양을 갖는다.

-$\text{SF}_{4}$에서 황 원자($\text{S}$)는 다른 4개의 원자와 결합하고, 1쌍의 비결합 고립 전자쌍을 갖는다. 고립 전자쌍은 결합 전자쌍보다 더 퍼져있고 더 많은 공간을 점유하기 때문에 $\text{SF}_{4}$의 비결합 전자쌍도 2개의 전하구름만 가까이에 위치하는($90^{\circ}$각도) 적도 위치를 차지한다.

-$\text{ClF}_{3}$의 염소원자는 다른 3개의 원자와 결합하고, 2개의 비결합 고립 전자쌍을 갖는다. 2개의 고립 전자쌍은 적도 위치에 있어서 T모양의 구조를 갖는다.

-$I_{3}\,^{-}$이온의 아이오딘 중심 원자는 다른 2개의 원자와 결합하고, 3개의 고립 전자쌍을 갖는다. 3개의 고립 전자쌍은 모두 적도 위치를 차지해서 선형구조를 갖는다.

6개의 전하구름: 중심원자 주위에 있는 6개의 전하구름은 8개의 정삼각형 면으로 이루어진 기하구조인 정팔면체의 6개 꼭짓점을 향한다. 6개의 위치는 동일하고 두 이웃한 위치 사이의 각은 $90^{\circ}$이다.

5개 전하구름의 경우처럼 6개의 전하구름 원자를 갖는 분자들은 전하구름들이 결합 전자인지 또는 비결합 전자인지에 따라 다른 모양을 가질 수 있다. 

-$\text{SF}_{6}$은 황($\text{S}$) 주위의 6개 위치를 모두 플루오린 원자들이 차지한다.

-$\text{SbCl}_{5}\,^{2-}$이온의 안티모니 원자($\text{Sb}$)도 6개의 전하구름을 갖지만 5개의 원자와만 결합하고, 1개의 비결합 고립 전자쌍을 가지므로 이 이온은 사각형을 밑면으로 하는 사각뿔(square pyramid) 모양을 갖는다.

-$\text{XeF}_{4}$의 제논 원자($\text{Xe}$)는 4개의 원자와 결합하고, 2개의 고립 전자쌍을 갖는다. 이 두 고립 전자쌍은 전기적 반발을 최소화하도록 멀리 떨어져 위치해서 그 결과 이 분자는 사각 평면(square planar)모양을 갖는다.

다음은 앞에서 설명한 2~6개의 전하구름에 대한 기하학적 구조를 정리한 것이다.

에틸렌($\text{H}_{2}\text{C}=\text{CH}_{2}$)에서 2개의 탄소 원자는 각각 3개의 전하구름을 가지며, 따라서 각 탄소 주위의 기하구조는 삼각평면이다.

다른 4개의 원자와 결합한 탄소 원자들은 각각 사면체 중심에 위치한다. 에테인($\text{H}_{3}\text{C}-\text{CH}_{3}$)은 아래 그림처럼 한 사면체의 중심 탄소 원자가 다른 사면체의 꼭짓점 탄소 원자가 되는 모습으로 두 사면체가 결합한다.

참고자료:

Chemistry 7th edition, McMurry, Fay, Robinson, Pearson