물이 극성 분자인 이유는 무엇입니까?

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물은 쌍극자 모멘트가 서로 상쇄되지 않는 두 개의 극성 OH 결합을 가지고 있기 때문에 극성 분자입니다. 이러한 쌍극자 모멘트는 산소를 향하고 분자에 순 쌍극자 모멘트를 제공하기 위해 합산됩니다.

이 극성은 화학 반응성, 녹는점 및 끓는점, 이온 및 극성 용질에 대한 범용 용매로 작용하는 능력을 포함하여 물의 많은 특징적인 특성에 대한 책임이 있습니다.

다시 말해, 물의 극성은 다른 분자와 마찬가지로 결합의 극성과 분자 기하학의 직접적인 결과입니다. 이 두 가지 개념과 이들이 물 분자에 어떻게 적용되는지 이해하면 분자의 극성에 대한 보다 완전한 아이디어를 얻을 수 있습니다.

극성 결합이란 무엇입니까?

극성 결합은 두 원자 중 하나가 다른 것보다 전기음성도가 더 크기 때문에 결합의 전자 밀도가 더 강하게 끌어당기는 일종의 공유 결합입니다. 이것의 결과는 전자가 동등하게 공유되지 않는다는 것입니다. 전기 음성도가 큰 원자는 부분적으로 음전하(δ-로 식별)를 획득하는 반면, 다른 원자는 부분적으로 양전하(δ+로 식별)를 획득합니다.

두 부분 전하는 크기가 같고 부호가 반대이므로 극성 결합을 전기 쌍극자 로 만듭니다 .

두 원자가 극성 공유 결합을 형성하는지 여부는 전기 음성도의 차이에 따라 다릅니다. 그 차이가 너무 크면 결합은 이온 결합이 되지만 매우 작거나 0이면 순수한 공유 결합이 됩니다. 마지막으로, 그 차이가 중간이면 결합은 극성 공유 결합이 될 것입니다. 각 경우에 대한 한도는 다음 표에 나와 있습니다.

링크 유형 전기 음성도 차이
이온 결합 >1.7 NaCl; LiF
극성 결합 0.4에서 1.7 사이 오; HF; NH
비극성 공유 결합 <0.4 CH; IC
순수한 공유 결합 0 HH; 우; FF

쌍극자 모멘트

극성 결합은 쌍극자 모멘트가 특징입니다. 이것은 전기음성도가 더 큰 원자의 방향으로 결합을 따라 가리키는 그리스 문자 μ(mu)로 표시되는 벡터입니다. 이 벡터의 크기는 전기음성도의 차이에 비례하는 분리된 전하의 크기와 두 전하 사이의 거리, 즉 결합 길이의 곱으로 주어진다.

쌍극자 모멘트는 분자의 전체 극성이 모든 쌍극자 모멘트의 벡터 합에서 나오므로 물이 극성인 이유를 이해하는 데 필수적입니다.

분자 기하학

분자의 기하학은 원자가 중심 원자 주위에 분포하는 방식을 나타냅니다. 예를 들어, 물에서 중심 원자는 산소이므로 분자 기하학은 두 개의 수소 원자가 산소 주위에 어떻게 배향되어 있는지를 나타냅니다.

분자 기하학을 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 간단한 것은 원자가 전자쌍 반발 이론을 통한 것으로, 중심 원자를 둘러싸는 전자쌍(결합 전자쌍이든 비공유 전자쌍이든)은 서로 가능한 한 멀리 떨어지게 됩니다.

전자가 중심 원자 주위에 어떻게 분포되어 있는지 확인한 후 결합이 가리키는 위치를 살펴봄으로써 기하학을 결정합니다(비공유 전자쌍은 고려하지 않음).

이 두 가지 개념을 이해했으므로 이제 물 분자, 결합 및 기하학을 분석해 보겠습니다.

물의 OH 결합은 극성 결합입니다.

OH 결합 극성

물은 하나의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 결합되어 있습니다. 산소와 수소 사이의 전기음성도 차이는 1.24이며, 이는 상당히 극성인 결합을 만듭니다(위 표 참조). 위의 그림은 이 결합의 쌍극자 모멘트를 보여줍니다. 쉽게 볼 수 있도록 벡터가 종종 링크의 측면에 그려진다는 사실에 유의해야 합니다. 그러나 실제로는 수소 핵에서 산소 핵을 가리키는 OH 결합과 일치합니다.

물 분자는 각진 기하학을 가지고 있습니다.

물 분자에서 산소 원자는 sp 3 혼성화되고 4쌍의 전자(2개의 수소 결합 쌍과 2개의 비공유 쌍)로 둘러싸여 있습니다. 원자가 전자쌍 반발 이론은 4쌍의 전자가 정사면체의 끝을 향할 것이라고 말합니다. 즉, 두 개의 수소 원자는 사면체의 네 모서리 중 두 모서리를 향하여 물 분자를 각진 분자로 만듭니다.

물 분자의 기하학과 그것이 극성인 이유

두 결합 사이의 각도는 109.5º의 사면체 각도여야 하지만 두 개의 비공유 전자쌍이 결합 전자를 더 강하게 밀어내어 각도를 약간 좁힙니다. 그 결과 위의 그림과 같이 물에 있는 두 개의 OH 결합이 104.45º의 각도를 형성합니다.

극성 결합 + 각도 기하학 = 극성 분자

극성 결합이 있다고 해서 분자가 극성임을 보장하는 것은 아니라는 사실을 인식하는 것이 중요합니다. 사실, 이산화탄소는 두 개의 극성 결합을 가지고 있지만 쌍극자 모멘트는 서로 상쇄됩니다. 이러한 이유로 분자는 비극성입니다.

이것은 선형이 아니라 각을 이루기 때문에 물 분자에서는 발생하지 않습니다. 이제 물 분자의 특성에 대한 명확한 그림을 얻었으므로 분자의 순 쌍극자 모멘트를 결정하는 단계로 넘어갈 수 있습니다. 이것은 분자 위에 두 쌍극자 모멘트를 그린 다음 벡터 추가를 수행하여 수행됩니다.

물이 극성 분자인 이유는 무엇입니까?

덧셈은 이전 그림의 오른쪽에 표시된 것처럼 평행사변형 방법을 사용하여 그래픽으로 수행할 수 있습니다. 알 수 있듯이 두 쌍극자 모멘트는 분자 중심을 통과하는 산소를 가리키는 순 쌍극자 모멘트를 생성합니다.

물의 순 극지방 모멘트

궁극적으로 이 순 쌍극자 모멘트는 물이 극성 분자인 이유입니다 .

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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