분자 모양, 더 이상 찍지 마세요! 전자쌍 반발(VSEPR) 이론은 분자의 3차원 구조를 예측하는 강력한 도구이지만, 헷갈리는 개념과 예외 때문에 많은 학생들이 어려움을 느낍니다. VSEPR 이론 문제 풀이, 이제 걱정 끝! 자, 필승 전략을 함께 익혀볼까요?
전자쌍 반발 문제 풀이와 오답 포인트
개념 정리가 필요하신 분은 참고해 보세요.
전자쌍 반발 이론(VSEPR)으로 본 분자의 기하학적 배열
VSEPR 이론(Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)은 화학에서 분자의 기하학적 구조를 예측하기 위한 중요한 모델입니다. 이 이론은 전자쌍 간의 반발력을 최소화하기 위해 원자 주변 전자쌍들이 특
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1. 기본 분자 모양 예측, 전자쌍 기하 구조 vs 분자 구조 혼동!
VSEPR 이론 문제의 가장 기본적인 유형은 주어진 분자의 전자쌍 기하 구조와 분자 구조를 예측하는 것입니다. 하지만 많은 학생들이 전자쌍 기하 구조와 분자 구조의 차이를 혼동하여 오답을 선택합니다.
문제 1
다음 분자들의 전자쌍 기하 구조와 분자 구조를 옳게 짝지은 것은?
| 분자 | 중심 원자 전자쌍 수 | 비공유 전자쌍 수 | 전자쌍 기하 구조 | 분자 구조 |
| (가) CH₄ | 4 | 0 | (A) 사면체형 | (B) 사면체형 |
| (나) NH₃ | 4 | 1 | (C) 사면체형 | (D) 삼각뿔형 |
| (다) H₂O | 4 | 2 | (E) 사면체형 | (F) 굽은형 |
(1) (가)-(A)-(B), (나)-(C)-(D), (다)-(E)-(F)
(2) (가)-(A)-(D), (나)-(C)-(B), (다)-(E)-(F)
(3) (가)-(C)-(B), (나)-(A)-(D), (다)-(E)-(F)
(4) (가)-(A)-(B), (나)-(E)-(D), (다)-(C)-(F)
(5) (가)-(C)-(D), (나)-(A)-(B), (다)-(E)-(F)
해설
VSEPR 이론에 따라 중심 원자 주변의 전자쌍 수는 결합 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수를 합하여 계산합니다. 전자쌍 기하 구조는 이 전자쌍들이 공간에서 반발을 최소화하며 배열하는 구조이며, 분자 구조는 비공유 전자쌍을 제외한 원자들의 배열 구조입니다.
(가) CH₄: 중심 원자 탄소(C)는 4개의 결합 전자쌍을 가지며 비공유 전자쌍은 없습니다. 따라서 전자쌍 수는 4개이며, 전자쌍 기하 구조는 사면체형 (A), 분자 구조 또한 사면체형 (B)입니다.
(나) NH₃: 중심 원자 질소(N)는 3개의 결합 전자쌍과 1개의 비공유 전자쌍을 가집니다. 따라서 전자쌍 수는 4개이며, 전자쌍 기하 구조는 사면체형 (C)이지만, 비공유 전자쌍 때문에 분자 구조는 삼각뿔형 (D)입니다.
(다) H₂O: 중심 원자 산소(O)는 2개의 결합 전자쌍과 2개의 비공유 전자쌍을 가집니다. 따라서 전자쌍 수는 4개이며, 전자쌍 기하 구조는 사면체형 (E)이지만, 2개의 비공유 전자쌍 때문에 분자 구조는 굽은형 (F)입니다.
정답: (1) (가)-(A)-(B), (나)-(C)-(D), (다)-(E)-(F)
1. 전자쌍 기하 구조와 분자 구조 혼동: 전자쌍 기하 구조는 중심 원자 주변의 모든 전자쌍(결합 + 비공유)의 배열을 나타내지만, 분자 구조는 비공유 전자쌍을 제외하고 실제 원자들이 배열된 모양을 의미합니다. 비공유 전자쌍이 있는 경우, 전자쌍 기하 구조와 분자 구조는 달라집니다. 문제에서 요구하는 것이 전자쌍 기하 구조인지 분자 구조인지 정확히 파악해야 합니다.
2. 중심 원자 전자쌍 수 계산 오류: 루이스 구조를 정확하게 그리지 못하거나, 다중 결합을 단일 전자쌍으로 잘못 계산하여 중심 원자 주변의 총 전자쌍 수를 틀리게 계산하는 경우가 많습니다. 다중 결합은 하나의 전자쌍으로 취급하여 총 전자쌍 수를 계산해야 합니다.
3. 비공유 전자쌍 영향 간과: 비공유 전자쌍은 결합 전자쌍보다 더 강한 반발력을 가지므로 분자 구조와 결합각에 영향을 미칩니다. 비공유 전자쌍의 존재를 고려하지 않고 분자 모양을 예측하는 것은 오답으로 이어집니다.
2. 결합각 예측, 비공유 전자쌍 반발력 고려 누락!
VSEPR 이론의 핵심 원리 중 하나는 전자쌍 간의 반발력을 최소화하는 것입니다. 특히 비공유 전자쌍은 결합 전자쌍보다 더 큰 반발력을 가지므로 결합각에 큰 영향을 미칩니다. 이 점을 간과하면 결합각 예측 문제에서 오답을 피하기 어렵습니다.
문제 2
다음 분자들의 결합각 (∠X) 크기를 비교한 것으로 옳은 것은?
(가) CH₄ (메탄) (나) NH₃ (암모니아) (다) H₂O (물)
(1) (가) > (나) > (다)
(2) (가) > (다) > (나)
(3) (나) > (가) > (다)
(4) (나) > (다) > (가)
(5) (다) > (나) > (가)
해설
세 분자 모두 중심 원자 주변에 4개의 전자쌍을 가지는 사면체형 전자쌍 기하 구조를 갖습니다. 하지만 비공유 전자쌍의 수가 다릅니다.
(가) CH₄: 비공유 전자쌍 0개. 이상적인 사면체 구조로 약 109.5°의 결합각을 가집니다.
(나) NH₃: 비공유 전자쌍 1개. 비공유 전자쌍의 강한 반발력 때문에 결합 전자쌍들이 더 가까워져 결합각이 약 107°로 감소합니다.
(다) H₂O: 비공유 전자쌍 2개. 두 개의 비공유 전자쌍이 더욱 강하게 반발하여 결합 전자쌍들이 더 сильно 밀려나 결합각이 약 104.5°로 더욱 감소합니다.
따라서 결합각 크기는 (가) CH₄ > (나) NH₃ > (다) H₂O 순서입니다.
1. 비공유 전자쌍 반발력 영향 무시: 비공유 전자쌍이 결합각을 감소시킨다는 사실을 간과하고, 전자쌍 수만 같으면 결합각이 모두 같다고 생각하는 경우가 많습니다. 비공유 전자쌍은 결합 전자쌍보다 더 넓은 공간을 차지하며 더 강한 반발력을 행사하여 결합각을 줄입니다.
2. 결합각 암기 오류: 특정 분자의 결합각을 정확하게 암기하지 못하고 대략적인 값으로만 비교하거나, 잘못된 값을 암기하여 오답을 선택하는 경우가 있습니다. 주요 분자들의 결합각은 암기하는 것이 좋지만, 비공유 전자쌍 수에 따른 결합각 변화 경향을 이해하는 것이 더 중요합니다.
3. 다중 결합 영향 간과: 다중 결합은 단일 결합보다 더 많은 전자 밀도를 가지므로 다른 전자쌍과의 반발력이 약간 더 큽니다. 하지만 일반적으로 비공유 전자쌍의 반발력보다는 작으므로, 문제에서 섬세한 비교를 요구하지 않는다면 비공유 전자쌍의 영향이 더 크다고 생각하는 것이 합리적입니다.
3. 옥텟 규칙 예외 분자 예측, 중심 원자 전자쌍 수 판단 오류!
VSEPR 이론은 옥텟 규칙을 만족하는 분자뿐만 아니라, 옥텟 규칙의 예외에 해당하는 분자의 모양을 예측하는 데에도 활용됩니다. 하지만 옥텟 규칙 예외 분자의 중심 원자 주변 전자쌍 수를 정확하게 판단하지 못하여 오답을 선택하는 경우가 많습니다.
문제 3
다음 중 VSEPR 이론으로 예측했을 때 평면 삼각형 구조를 갖는 분자는 모두 몇 개인가?
(가) BF₃ (나) SO₃ (다) NH₃ (라) PCl₅ (마) XeF₄
(1) 1개 (2) 2개 (3) 3개 (4) 4개 (5) 5개
해설
각 분자의 중심 원자 주변 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수를 파악하여 분자 구조를 예측합니다.
(가) BF₃: 중심 원자 붕소(B)는 3개의 결합 전자쌍을 가지며 비공유 전자쌍은 없습니다. 전자쌍 수 3개 → 삼각 평면형.
(나) SO₃: 중심 원자 황(S)은 3개의 이중 결합을 가지며 비공유 전자쌍은 없습니다. 전자쌍 수 3개 → 삼각 평면형.
(다) NH₃: 중심 원자 질소(N)는 3개의 결합 전자쌍과 1개의 비공유 전자쌍을 가집니다. 전자쌍 수 4개 → 전자쌍 기하 구조는 사면체형, 분자 구조는 삼각뿔형.
(라) PCl₅: 중심 원자 인(P)은 5개의 결합 전자쌍을 가지며 비공유 전자쌍은 없습니다 (옥텟 규칙 확장). 전자쌍 수 5개 → 삼각 쌍뿔형.
(마) XeF₄: 중심 원자 제논(Xe)은 4개의 결합 전자쌍과 2개의 비공유 전자쌍을 가집니다 (옥텟 규칙 확장). 전자쌍 수 6개 → 전자쌍 기하 구조는 팔면 체형, 분자 구조는 정사각형 평면형.
따라서 평면 삼각형 구조를 갖는 분자는 (가) BF₃ 와 (나) SO₃ 로 총 2개입니다.
1. 옥텟 규칙 예외 간과: 붕소(B), 베릴륨(Be)과 같이 옥텟 규칙을 만족하지 않는 원자나, 인(P), 황(S), 제논(Xe)과 같이 옥텟 규칙을 확장하는 원자의 화합물에서 중심 원자 주변 전자쌍 수를 잘못 판단하는 경우가 많습니다. 옥텟 규칙의 예외에 해당하는 원소들과 그 화합물의 특징을 숙지해야 합니다.
2. 다중 결합 전자쌍 수 계산 오류: SO₃ 와 같이 다중 결합을 포함하는 분자에서 이중 결합을 두 개의 전자쌍으로 잘못 계산하여 총 전자쌍 수를 틀리게 판단하는 경우가 있습니다. 다중 결합은 하나의 전자쌍으로 취급해야 합니다.
3. 분자 구조 암기 부족: 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수에 따른 다양한 분자 구조 (직선형, 굽은형, 삼각 평면형, 삼각뿔형, 사면체형, 삼각 쌍뿔형, 팔면체형, 시소형, T자형, 사각뿔형, 정사각형 평면형)를 정확하게 암기하지 못하여 오답을 선택하는 경우가 많습니다. 각 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수 조합에 따른 분자 구조를 정리하고 암기하는 것이 중요합니다.
4. 학습 조언
오늘 우리는 VSEPR 이론 문제 풀이에서 학생들이 가장 어려워하고, 오답률이 높은 3가지 대표 유형을 집중 분석하고, 오답 함정을 명확하고 간결하게 파헤쳐 보았습니다. 이제 여러분은 VSEPR 이론을 활용한 분자 모양 예측에 대한 자신감을 얻으셨으리라 믿습니다!
- VSEPR 이론 핵심 원리 완벽 이해: 전자쌍 반발 최소화 원리를 명확히 이해하고, 전자쌍 기하 구조와 분자 구조의 차이점을 확실하게 구분하는 것이 중요합니다.
- 다양한 분자 루이스 구조 그리기 연습: 다양한 분자들의 루이스 구조를 정확하게 그리는 연습을 통해 중심 원자 주변의 총 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수를 정확하게 파악하는 능력을 키우세요.
- 분자 모형 활용 및 시각화: 실제 분자 모형을 만들어 보거나 온라인 시뮬레이션을 활용하여 분자들의 3차원 구조를 시각적으로 이해하는 것이 VSEPR 이론 학습에 큰 도움이 됩니다.
- 꾸준한 문제 풀이와 오답 분석: 다양한 난이도의 VSEPR 이론 문제를 꾸준히 풀어보고, 오답 노트를 활용하여 틀린 부분을 꼼꼼하게 분석하고 복습하는 것이 중요합니다.
VSEPR 이론은 분자의 성질을 이해하는 첫걸음입니다. 오늘 배운 내용을 바탕으로 꾸준히 학습하고 연습하여 분자 모양 예측의 진정한 Master가 되기를 응원합니다!
