¶ 지식 정보

¶ 전자 부족 원소

$\mathrm{B}\backslash mathrm\{B\}$와 같이 최외각 전자가 $88$개보다 적더라도 안정해질 수 있는 원소이다.

$\mathrm{B}\backslash mathrm\{B\}$는 최외각 전자가 $66$개일 때 안정하고, $33$개의 최외각 전자를 갖고 있으므로 안정해지기 위해 $33$개의 공유 전자쌍을 형성하려는 경향이 있다.

¶ 확장된 옥텟 규칙

$\mathrm{P}\backslash mathrm\{P\}$, $\mathrm{S}\backslash mathrm\{S\}$, $\mathrm{C}\mathrm{l}\backslash mathrm\{Cl\}$과 같이 $33$주기 이상의 원소는 $dd$ 오비탈을 사용할 수 있으므로 최외각 전자가 $88$개를 초과하더라도 안정해질 수 있다.

확장된 옥텟 규칙에 의해 $\mathrm{P}\backslash mathrm\{P\}$ $11$개가 $\mathrm{C}\mathrm{l}\backslash mathrm\{Cl\}$ $55$개와 결합하여 $\mathrm{P}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_5\backslash mathrm\{PCl\_\{5\}\}$를 형성하거나, $\mathrm{S}\backslash mathrm\{S\}$ $11$개가 $\mathrm{F}\backslash mathrm\{F\}$ $66$개와 결합하여 $\mathrm{S}{\mathrm{F}}_6\backslash mathrm\{SF\_\{6\}\}$를 형성하는 것이 가능하다.

¶ 결합수

한 원자에 결합한 원자 수이다.

단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합 모두 각각 $11$개의 결합수를 갖는다.

결합 차수와 헷갈리지 않도록 주의한다.

¶ 결합수 예시

그림은 $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}\backslash mathrm\{HCN\}$의 루이스 구조를 나타낸 것이다. $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{N}\backslash mathrm\{HCN\}$에서 $\mathrm{C}\backslash mathrm\{C\}$의 결합수를 구해보자.

$\mathrm{C}\backslash mathrm\{C\}$는 $\mathrm{H}\backslash mathrm\{H\}$ $11$개, $\mathrm{N}\backslash mathrm\{N\}$ $11$개와 결합하고 있으므로 결합수는 $22$개이다.

¶ 분자의 $33$차원 구조 그리기

분자의 $33$차원 구조를 쐐기와 점선을 통해 평면에 나타낼 수 있다.

기존에 결합을 표현하는 직선 대신 관찰자 쪽으로 튀어나온 부분은 쐐기를, 관찰자 반대쪽으로 들어간 부분은 쐐기 점선 또는 점선을 통해 나타낸다.

¶ 분자의 $33$차원 구조 그리기 예시

그림과 같은 분자 구조가 있을 때, 이를 쐐기와 점선을 통해 나타내보자. 주황색 공은 $\mathrm{F}\backslash mathrm\{F\}$를, 회색 공은 $\mathrm{X}\mathrm{e}\backslash mathrm\{Xe\}$(원자 번호가 $5454$인 원소)를, 초록색 구름은 비공유 전자쌍이 차지하는 공간을 나타낸다.

위 그림에서 아래쪽에 위치한 주황색 공은 관찰자 앞쪽으로 튀어나와 있으므로 쐐기를 활용하고, 위쪽에 위치한 주황색 공은 관찰자 반대쪽으로 들어가 있으므로 점선을 활용한다.

따라서 이 분자의 $33$차원 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

비공유 전자쌍은 생략하였다.

¶ VSEPR 이론(원자가 껍질 전자쌍 반발 이론)

중심 원자의 결합수와 비공유 전자쌍 수를 통해 분자나 다원자 이온의 $33$차원 구조를 예측하는 이론이다.

전자는 음$(-)(-)$전하를 띠기 때문에 비공유 전자쌍과 공유 전자쌍은 서로 밀어내며, 이를 최소화하기 위해 전자쌍은 최대한 멀리 떨어지려고 한다.

중심 원자의 결합수와 비공유 전자쌍 수에 따른 분자의 $33$차원 구조는 아래 그림과 같다.

• 결합수가 $22$개, 비공유 전자쌍이 $00$개일 때:
  결합각은 $180^{\circ }180^\{\backslash circ\}$이고, 선형 구조이다.

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• 결합수가 $33$개, 비공유 전자쌍이 $00$개일 때:
  결합각은 $120^{\circ }120^\{\backslash circ\}$이고, 평면 삼각형 구조이다.

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• 결합수가 $22$개, 비공유 전자쌍이 $11$개일 때:
  결합각은 약 $120^{\circ }120^\{\backslash circ\}$이고, 굽은형 구조이다.

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• 결합수가 $44$개, 비공유 전자쌍이 $00$개일 때:
  결합각은 $109.5^{\circ }109.5^\{\backslash circ\}$이고, 사면체 구조이다.

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• 결합수가 $33$개, 비공유 전자쌍이 $11$개일 때:
  결합각은 약 $107^{\circ }107^\{\backslash circ\}$이고, 삼각뿔 구조이다.

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• 결합수가 $22$개, 비공유 전자쌍이 $22$개일 때:
  결합각은 약 $104.5^{\circ }104.5^\{\backslash circ\}$이고, 굽은형 구조이다.

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• 결합수가 $55$개, 비공유 전자쌍이 $00$개일 때:
  수평면에서 결합각은 $120^{\circ }120^\{\backslash circ\}$이고, 수평면과 수직 방향의 결합각은 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이다.
  삼각쌍뿔 구조이다.

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• 결합수가 $44$개, 비공유 전자쌍이 $11$개일 때:
  수평면에서 결합각은 약 $120^{\circ }120^\{\backslash circ\}$이고, 수평면과 수직 방향의 결합각은 약 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이다.
  시소형 구조이다.

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• 결합수가 $33$개, 비공유 전자쌍이 $22$개일 때:
  결합각은 약 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이고, $\mathrm{T}\backslash mathrm\{T\}$자형 구조이다.

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• 결합수가 $22$개, 비공유 전자쌍이 $33$개일 때:
  결합각은 $180^{\circ }180^\{\backslash circ\}$이고, 선형 구조이다.

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• 결합수가 $66$개, 비공유 전자쌍이 $00$개일 때:
  수평면에서 결합각은 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이고, 수평면과 수직 방향의 결합각은 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이다.
  팔면체 구조이다.

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• 결합수가 $55$개, 비공유 전자쌍이 $11$개일 때:
  수평면에서 결합각은 약 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이고, 수평면과 수직 방향의 결합각은 약 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이다.
  사각뿔 구조이다.

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• 결합수가 $44$개, 비공유 전자쌍이 $22$개일 때:
  결합각은 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이고, 평면 사각형 구조이다.

¶ VSEPR 이론 예시

$\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3\backslash mathrm\{BF\_\{3\}\}$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\backslash mathrm\{NH\_\{3\}\}$, ${\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_4}^{4-}\backslash mathrm\{SiO\_\{4\}\}^\{4-\}$, $\mathrm{S}{\mathrm{F}}_6\backslash mathrm\{SF\_\{6\}\}$의 구조를 예측해보자.

• $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3\backslash mathrm\{BF\_\{3\}\}$의 구조 판단:

$\mathrm{B}\backslash mathrm\{B\}$는 최외각 전자가 $66$개일 때 안정하고, $33$개의 최외각 전자를 갖고 있으므로 안정해지기 위해 $33$개의 공유 전자쌍을 형성하려는 경향이 있다.

이를 통해 $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3\backslash mathrm\{BF\_\{3\}\}$의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{B}\backslash mathrm\{B\}$는 $\mathrm{F}\backslash mathrm\{F\}$ $33$개와 결합하고 있으므로 결합수는 $33$개이고, 비공유 전자쌍은 $00$개이다.
따라서 $\mathrm{B}{\mathrm{F}}_3\backslash mathrm\{BF\_\{3\}\}$의 결합각은 $120^{\circ }120^\{\backslash circ\}$이고, 평면 삼각형 구조이다.

비공유 전자쌍은 생략하였다.

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• $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\backslash mathrm\{NH\_\{3\}\}$의 구조 판단:
  $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\backslash mathrm\{NH\_\{3\}\}$의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{N}\backslash mathrm\{N\}$은 $\mathrm{H}\backslash mathrm\{H\}$ $33$개와 결합하고 있으므로 결합수는 $33$개이고, 비공유 전자쌍은 $11$개이다.
따라서 $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\backslash mathrm\{NH\_\{3\}\}$의 결합각은 약 $107^{\circ }107^\{\backslash circ\}$이고, 삼각뿔 구조이다.

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• ${\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_4}^{4-}\backslash mathrm\{SiO\_\{4\}\}^\{4-\}$의 구조 판단:
  ${\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_4}^{4-}\backslash mathrm\{SiO\_\{4\}\}^\{4-\}$의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{S}\mathrm{i}\backslash mathrm\{Si\}$는 $\mathrm{O}\backslash mathrm\{O\}$ $44$개와 결합하고 있으므로 결합수는 $44$개이고, 비공유 전자쌍은 $00$개이다.
따라서 ${\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_4}^{4-}\backslash mathrm\{SiO\_\{4\}\}^\{4-\}$의 결합각은 $109.5^{\circ }109.5^\{\backslash circ\}$이고, 사면체 구조이다.

비공유 전자쌍은 생략하였다.

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• $\mathrm{S}{\mathrm{F}}_6\backslash mathrm\{SF\_\{6\}\}$의 구조 판단:
  $\mathrm{S}{\mathrm{F}}_6\backslash mathrm\{SF\_\{6\}\}$의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{S}\backslash mathrm\{S\}$는 $\mathrm{F}\backslash mathrm\{F\}$ $66$개와 결합하고 있으므로 결합수는 $66$개이고, 비공유 전자쌍은 $00$개이다.
따라서 $\mathrm{S}{\mathrm{F}}_6\backslash mathrm\{SF\_\{6\}\}$의 수평면에서 결합각은 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이고, 수평면과 수직 방향의 결합각은 $90^{\circ }90^\{\backslash circ\}$이며, 팔면체 구조이다.

비공유 전자쌍은 생략하였다.

¶ 시뮬레이션

¶ 적용 문항

¶ $11$번 문항

¶ $22$번 문항