결합각

결합각(bond angle)이란 3개의 연속된 원자들을 연결한 2개의 화합 결합(chemical bond) 사이에 형성된 각도이다. 비틀림각(torsion angle)이란 화학 결합으로 연결된 연속된 4개의 원자 중 3개의 원자에 의해 만들어진 평면과 남아 있던 1개의 원자에 의해 형성된 두 평면 사이의 각도이다.

물 분자 내의 결합각 (출처:대한화학회)

이처럼 인접한 두 화학 결합 간의 기하학적 각도를 의미하는 결합각은 여러 가지 간단한 분자의 구조를 표현하는데 사용될 수 있다.

목차

선형 구조에서 원자들은 직선으로 연결되어 있으며 이때 결합각은 180°를 유지하며, 이 선형 형태를 보이는 대표적인 분자로 이산화 탄소(CO₂)가 있다.

굽은 형 구조에서는 3개의 원자가 비선형 형태로 연결되어 있고, 그러한 구조의 대표적인 분자로 물(H₂O)이 있으며, 분자 내의 결합각은 104.5°이다. 물 분자는 두 쌍의 결합 전자와 두 쌍의 비공유 전자쌍을 가지고 있다.

3개의 원자가 모여 삼각 평면형 구조를 이루게 되는데 이때 구조 내 원자들은 한 평면 위에 존재하게 되며 결합각은 120°이다. 삼각 평면 구조를 갖는 대표적인 분자로 트라이플루오린화 붕소(BF₃)가 있다.

삼각 피라미드형 구조는 사면체 구조와 유사하나, 중심 원자가 3개의 주변 원자와 연결되어 있다. 이러한 구조는 결합에 참여하지 않은 비공유 전자쌍 1개가 중심 원자에 있을 때 주로 형성된다. 또한 비공유 전자쌍과 결합 전자쌍 사이의 반발력에 의해 결합각은 사면체 구조 내에서 관찰되는 결합각(109.5°)보다 작게 형성되며, 암모니아(NH₃)가 이러한 구조를 가진다.

사면체 구조를 갖는 분자에서는 중심 원자가 4개의 결합을 통해 주변 원자들과 연결되어 있다. 이러한 사면체 구조는 중심 원자에 여분의 전자쌍이 없으면 주로 형성된다. 또한 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(Valence Shell Electron-Pair Repulsion Theory)과도 잘 부합되어 사면체 구조는 갖는 분자는 109.5°의 결합각을 유지하며, 메테인(CH₄)이 그와 같은 구조를 가진다.

평면 사각형 구조는 중심 원자와 이를 둘러싼 4개의 원자가 평면 사각형을 이루고 있으며, 이때 원자들은 각각 90°의 결합각을 유지한다. 이러한 분자 모양을 갖는 대표적 분자에는 테트라 플루오린화 제논(XeF₄)이 있다.

삼각 쌍 뿔형 구조는 삼각 평면형 구조를 중심으로 평면의 위와 아래쪽에 각각 1개씩의 원자가 위치한 구조로 되어 있다. 특히 삼각 평면형 구조는 중심 원자와 이를 둘러싼 3개의 원자로 구성되며, 이들은 각각 120° 결합각을 유지한다. 또한, 이 평면 위와 아래에 있는 1개의 원자는 평면과 각각 90°의 결합각을 유지하며, 대표적인 분자로는 오염화 인(PCl₅)이 있다.

팔면체 구조를 이루는 분자에서는 중심 원자가 6개의 주변 원자들과 연결되어 있다. 특히 이러한 팔면체 구조 내에 존재하는 각 원자는 주변 원자들과 모두 90°의 결합각을 이루면서 연결되어 있으며 이러한 구조를 갖는 대표적인 화합물로 헥사 플루오린화 황(SF₆)이 있다.

1. Gary L. Miessler.; Donald A. Tarr. Inorganic chemistry, 4^th ed.; Pearson Education. Inc.: Upper Saddle River, NJ, 2011.

2. Retrieved on 2019-7-24.