Ⅲ-2. 화학 결합과 분자의 세계

11. 분자의 구조와 성질

정답과 해설

[정답] ③

2주기 원소 중 전자가 들어 있는 [eqn: p] 오비탈의 수가 같은 원자는 N, O, F으로 바닥 상태 전자 배치는 다음과 같으므로, 전자가 채워진 오비탈의 수는 N(2개) < O(3개) < F(4개)이다.

해설

N : [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{1} 2p _{y} ^{1}2p _{z} ^{1}]

O : [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{2} 2p _{y} ^{1}2p _{z} ^{1}]

F : [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p _{x} ^{2} 2p _{y} ^{2}2p _{z} ^{1}]

제1 이온화 에너지는 O < N < F이므로 Y는 F, Z는 O 또는 N이다. 또한 2주기 원소 중 금속 원소는 Li, Be이며, X~Z의 홀전자 수의 합이 5이므로 X는 금속 원소인 Li, Y는 F, Z는 N이다.

ㄷ. Z는 N으로 15족 원소이며, Z의 수소 화합물은 [eqn: rmZH _{ 3}]로 중심 원자에 공유 전자쌍 3개와 비공유 전자쌍 1개가 존재하므로 분자의 모양은 삼각뿔형이다. 따라서 분자의 쌍극자 모멘트는 0이 아니다.

ㄱ. X는 Li이다.

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ㄴ. Y는 F으로 17족 원소이며, 원자가 전자가 7개이다. 따라서 [eqn: rmY _{ 2}]는 단일 결합으로 이루어진다.

[정답] ③

중심 원자 주위의 전자쌍들은 서로 반발하여 가능한 한 멀리 떨어지려고 하는데, 이를 전자쌍 반발 원리라고 한다. 풍선으로 만든 전자쌍 모형에서 풍선을 전자쌍이라고 가정한다.

해설

ㄱ. 풍선을 전자쌍으로 가정하여 전자쌍 모형을 나타낸 것이므로 ㉠은 ‘가능한 한 서로 멀리 떨어져 있으려 한다.’가 적절하다.

ㄴ. [eqn: rm BCl_3]에서 B는 비공유 전자쌍이 없으므로 평면 삼각형의 분자 구조를 갖는다. 풍선 3개를 매듭끼리 묶어 만들었을 때 평면 삼각형 모형으로 배열되었으므로 이 모형으로 [eqn: rm BCl_3]의 분자 구조가 평면 삼각형임을 예측할 수 있다.

ㄷ. [eqn: RM CH_4]에 있는 공유 전자쌍 수가 4이므로 풍선 4개를 매듭끼리 묶었을 때 배열된 모습으로 분자 구조를 예측할 수 있다.

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[정답] ①

원자가 전자 수로 보아 X는 15족 원소인 질소(N), Y는 16족 원소인 산소(O), Z는 17족 원소인 플루오린(F)이다.

해설

ㄱ. Y2는 이중 결합(O=O)으로 형성된 분자이다.

ㄴ. YZ2(OF2)에서 Y와 Z는 전기 음성도가 서로 다르므로 극성 공유 결합을 한다.

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ㄷ. XZ3(NF3)는 X에 비공유 전자쌍을 1개 가지는 극성 분자이므로 쌍극자 모멘트의 합이 0이 아니다.

[정답] ③

ㄱ. (가)는 메테인(CH4)으로 정사면체 구조이고 무극성 분자이다. (나)는 암모니아(NH3)로 삼각뿔형 구조이고 극성 분자이다. 따라서 끓는점은 무극성 분자인 (가)가 극성 분자인 (나)보다 낮다.

해설

ㄴ. (가)는 정사면체 구조로 결합각이 109.5°이고, (다)는 2개의 비공유 전자쌍 때문에 굽은 형 구조로 결합각이 104.5°이다. 따라서 결합각은 (가)가 (다)보다 크다.

ㄷ. (가)는 무극성 분자이고, (나)는 극성 분자이므로 물(액체 (다))에 대한 용해도는 (나)가 (가)보다 크다.

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[정답] ①

수소의 원자가 전자는 1개로 다른 원자와 1개의 전자쌍을 공유하여 결합할 수 있으므로, 수소 화합물에서 중심 원자에 존재하는 공유 전자쌍의 수는 중심 원자에 결합된 수소 원자의 수와 같다. 따라서 A는 [eqn: rm CH _{ 4}], B는 [eqn: rm NH _{ 3}], C는 [eqn: rm H _{ 2}O]이다.

해설

ㄱ. A는 중심 원자에 공유 전자쌍만 4개이므로, A 분자의 모양은 정사면체형이다.

ㄴ. C는 중심 원자에 공유 전자쌍 2개와 비공유 전자쌍 2개가 있으므로, C 분자의 모양은 굽은 형이다. 따라서 C는 쌍극자 모멘트의 합이 0이 아니므로, 극성 물질이다.

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ㄷ. 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 공유 전자쌍 사이의 반발력보다 크므로, 2주기 수소 화합물에서 중심 원자에 존재하는 총 전자쌍의  수가 4개로 같을 때 비공유 전자쌍이 많을수록 결합각은 작아진다. A의 분자 모양은 정사면체형으로 결합각은 109.5°, B의 분자 모양은 삼각뿔형으로 결합각은 107°, C의 분자 모양은 굽은 형으로 104.5°이다.

[정답] ④

ㄱ. 극성 공유 결합은 전기 음성도가 다른 두 원자 사이에 형성되는 공유 결합이다. (가)의 C와 O는 전기 음성도가 다르므로 극성 공유 결합을 형성하며, (나)의 B와 F은 전기 음성도가 다르므로 극성 공유 결합이 형성한다.

해설

ㄷ. (가)의 [eqn: rm CO _{ 2}]는 직선형, (나)의 [eqn: rm BF _{ 3}]는 평면 삼각형으로 각 분자의 쌍극자 모멘트의 합은 0이다. 따라서 (가)와 (나)는 모두 무극성 분자이다.

ㄴ. (가)에서 중심 원자 C는 2개의 이중 결합을 형성하여 총 8개의 전자를 가지므로 옥텟 규칙을 만족한다. (나)에서 중심 원자 B는 3개의 단일 결합을 형성하여 총 6개의 전자를 가지므로 옥텟 규칙을 만족하지 못한다.

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[정답] ⑤

원자가 전자 수는 (공유 전자쌍 수) + 2×(비공유 전자쌍 수)와 같으므로 각 원자의 원자가 전자 수는 X는 6개, Y는 7개, Z는 4개이다.

해설

ㄱ. (나)에서 비공유 전자쌍은 X 원자 주위에 2개씩 있으므로 총 4개이다.

ㄴ. (가)는 중심 원자 X 주위에 공유 전자쌍 2개와 비공유 전자쌍 2개가 있으므로 분자의 모양은 굽은 형이고 결합각은 약 104.5°이다. (나)는 중심 원자 Z 주위에 비공유 전자쌍이 없고 이중 결합이 2개 있으므로 분자의 모양은 직선형이고 결합각은 180°이다. 따라서 결합각은 (나)>(가)이다.

ㄷ. [eqn: rmZY _{4}]는 중심 원자에 공유 전자쌍만 4개를 가지므로 분자의 모양은 정사면체이다.

[정답] ②

각 기준에 해당하는 분자는 다음과 같다.

해설

(가) - [eqn: rmHCN], [eqn: rmCO _{ 2}], (나) - [eqn: rmHCN], [eqn: rmCO _{ 2}], [eqn: rmCH _{ 4}], (다) - [eqn: rmH _{ 2}O], [eqn: rmNH _{ 3}]

A, B, C 영역은 각각 다른 기준과 겹치지 않는 화합물을 나타내므로 A 영역에는 해당하는 화합물이 없고, B 영역에는 [eqn: rmCH _{ 4}] 1개, C 영역에는 [eqn: rmH _{ 2}O], [eqn: rmNH _{ 3}] 모두 해당하므로 2개이다.

[정답] ②

① [eqn: rmH _{ 3}O ^{ +}]은 중심 원자인 O에 비공유 전자쌍이 1개 있다.

해설

③, ④ [eqn: rmBF _{ 3}]는 서로 다른 원자 사이의 극성 공유 결합으로 생성된 무극성 분자이다. 따라서 쌍극자 모메트의 합은 0이다.

⑤ [eqn: rmBF _{ 4} ^{ -}]은 [eqn: rmBF _{ 3}]에 [eqn: rmF ^{ -}]이 배위 결합하여 생성된 이온이므로 [eqn: rmCH _{ 4}]과 같이 중심 원자인 B에 공유 전자쌍만 4개가 있으므로 정사면체 모양이다.

② [eqn: rmH _{ 2}O]은 굽은 모양으로 결합각이 104.5°이고, [eqn: rmH _{ 3}O ^{ +}]은 [eqn: rmNH _{ 3}]와 같은 삼각뿔형이므로 결합각은 약 107°이다.

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[정답] ⑤

분자를 구성할 때, 수소(H)는 1개의 공유 전자쌍을, 탄소(C)는 4개의 공유 전자쌍을, 질소(N)는 3개의 공유 전자쌍과 1개의 비공유 전자쌍을, 산소(O)는 2개의 공유 전자쌍과 2개의 비공유 전자쌍을 가진다. 따라서 분자 내 비공유 전자쌍 수가 (가)는 1개, (나)는 2개이므로 (가)는 [eqn: RMNH _{3}], (나)는 [eqn: RMH _{2} O]에 해당되므로 W는 질소(N), X는 수소(H), Y는 산소(O)이며, Z는 탄소(C)가 됨을 알 수 있다. 즉, (다)와 (라)는 각각 [eqn: RMCO _{2}]와 [eqn: RMHCN]에 해당한다.

해설

⑤ 분자 당 구성 원자 수가 가장 많은 것은 (가)로서 4개로 이루어져 있다.

① (가)는 [eqn: RMNH _{3}]이므로 중심 원소에 공유 전자쌍 3개와 비공유 전자쌍 1개로 이루어져 있으므로 분자 구조인 ㉠은 삼각뿔형에 해당한다.

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② (라)는 [eqn: RMHCN](H-C≡N)이므로 중심 원소에 비공유 전자쌍이 없으므로 분자 구조인 ㉡은 선형에 해당한다.

③ 결합각은 (가) 107°, (나) 104.5°, (다) 180°, (라) 180°에 해당하므로 결합각이 가장 작은 것은 (나)에 해당한다.

④ (다)는 [eqn: RMCO _{2}]로서 중심 탄소 원자는 산소 원자와 각각 2중 결합을 가진 O=C=O의 구조에 해당한다.

[정답] ④

2주기 원소의 수소 화합물 중 옥텟을 만족하는 화합물은 [eqn: RMCH _{4}], [eqn: RMNH _{3}], [eqn: RMH _{2} O], [eqn: RMHF]이다.

해설

	(가)	(나)	(다)	(라)
분자식	[eqn: RMCH _{4}]	[eqn: RMNH _{3}]	[eqn: RMH _{2} O]	[eqn: RMHF]
공유 전자쌍 수	4	3	2	1
비공유 전자쌍 수	0	1	2	3
분자의 모양	정사면체형	삼각뿔형	굽은 형	직선형
결합각	109.5°	107°	104.5°	180°
분자의 성질	무극성	극성	극성	극성

ㄱ. 분자의 쌍극자 모멘트가 가장 작은 것은 무극성 분자인 (가)이다.

ㄷ. 결합각은 (나)가 (다)보다 크다.

ㄴ. (라)의 분자 모양은 직선형이다.

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[정답] ③

ㄱ. 물질 X를 구성하는 [eqn: rmA_{itm} B]에서 중심 원자인 B에 비공유 전자쌍이 2개 있고, B는 옥텟 규칙을 만족하므로 A와 B의 결합은 단일 결합이고, 단일 결합이 2개 있다. 이로부터 X의 분자식은 [eqn: rm A _{it 2 rm} B]이고, 분자의 모양은 굽은 형이므로, X는 극성 이다.

해설

ㄴ. 실험 과정 (가)에서 X와 Y가 서로 섞이지 않은 것으로 보아 X와 Y는 극성이 서로 다르다. X는 극성 물질이므로 Y는 무극성이다.

ㄷ. 실험 과정 (나)에서 [eqn: rmI_2]는 무극성이므로 X와 Y 중 무극성 물질인 Y 층에 녹는다.

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[정답] ⑤

(가)와 (나)의 플루오린(F)과 수소(H)는 각각 1개씩의 공유 결합을 형성한다. 이때 X와 Y는 2주기 원소로서 화합물에서 옥텟 규칙을 만족해야 하므로 4개의 전자쌍(공유 전자쌍 또는 비공유 전자쌍)을 가져야 한다. 한편 (가)는 공유 전자쌍 수가 총 4개인데 X와 F 원자 사이에 각각 1개의 전자쌍을 공유하고 있으므로 X 원자 사이에는 2개의 공유 전자쌍을 가진다. 따라서 (가)의 경우 X는 비공유 전자쌍을 각각 1개씩 가진다. (나)는 공유 전자쌍 수가 총 5개인데 Y와 H 원자 사이에 각각 1개의 전자쌍을 공유하고 있으므로 Y 원자 사이에는 3개의 공유 전자쌍을 가진다. 따라서 (가)와 (나)의 구조식은 다음과 같다.

해설

(가)             (나)

ㄱ. X는 1개의 비공유 전자쌍과 3개의 공유 전자쌍을 가지므로 원자가 전자 수가 5개로서 2주기 15족 원소인 질소(N)에 해당한다.

ㄴ. (나)의 분자 구조는 직선형으로 분자의 쌍극자 모멘트는 0이므로 무극성 분자이다.

ㄷ. (가)의 경우 X에 비공유 전자쌍이 있으므로 F-X=X는 굽은형 구조로서 결합각은 약 120°에 해당한다. (나)의 경우 직선형 구조이므로 결합각은 180°이다. 따라서 결합각은 (나)가 (가)보다 크다.

[정답] ①

[eqn: rm H_{ 2}O], [eqn: rm CH _{4}], [eqn: rmBF _{ 3}]의 분자 모형은 다음과 같다.

해설

① [eqn: rm H_{ 2}O]의 중심 원자 O에 있는 2개의 공유 전자쌍과 2개의 비공유 전자쌍이 사면체의 꼭짓점에 배열되어 있으며, 결합각은 104.5°이다. [eqn: rm CH _{4}]의 중심 원자 C에 있는 4개의 공유 전자쌍은 정사면체의 꼭짓점에 배열되어 있으며, 결합각 109.5°이다. [eqn: rmBF _{ 3}]의 중심 원자 B에는 3개의 공유 전자쌍만 있으며, 3개의 전자쌍이 평면 삼각형의 꼭짓점에 배열되므로, 결합각은 120°이다. 따라서 분자의 결합각은 [eqn: rmBF _{ 3}]>[eqn: rm CH _{4}]>[eqn: rm H_{ 2}O]이다.

[정답] ①

X와 Y가 옥텟 규칙을 만족하는 [eqn: rm XH _{ 3}], [eqn: rm YOCl _{2}] 분자는 각각 [eqn: rm NH _{3}], [eqn: rm COCl _{2}]이다.

해설

ㄱ. [eqn: rm XH _{ 3}]는 삼각뿔형 구조로 분자의 쌍극자 모멘트가 0이 아니며, [eqn: rm YOCl _{2}]는 평면 삼각형 구조이지만, 분자의 쌍극자 모멘트가 0이 아니다.

ㄴ. [eqn: rm YOCl _{2}]는 평면 삼각형 구조이지만, [eqn: rm XH _{ 3}]는 삼각뿔형 구조의 입체 구조이다.

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ㄷ. [eqn: rm XH _{ 3}]는 공유 전자쌍이 3개이지만, [eqn: rm YOCl _{2}]는 공유 전자쌍이 4개이다.

[정답] ②

[eqn: rm HF], [eqn: rm N _{2}], [eqn: rm O _{2}], [eqn: rm F _{2}], Ne의 루이스 전자점식은 각각 다음과 같다.

해설

H는 1주기 원소이고, N, O, F, Ne는 2주기 원소이다.

② [eqn: rm N _{2}]는 구성 원소가 2주기 원소이고, 무극성 분자이며, 비공유 전자쌍이 2이다.

① H는 1주기 원소이고, HF는 극성 분자이다.

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③~⑤ [eqn: rm O _{2}], [eqn: rm F _{2}], Ne의 비공유 전자쌍의 수는 각각 4, 6, 4이다.

[정답] ①

무극성 분자는 분자의 쌍극자 모멘트가 0인 분자이고, 극성 분자는 분자의 쌍극자 모멘트가 0이 아닌 분자이다.

해설

ㄱ. (가)는  C와  O가 극성 공유 결합을 이루고 있지만 직선형 구조를 이루고 있어 분자의 쌍극자 모멘트는 0이다. 따라서 (가)는 무극성 분자이다.

ㄴ. (나)에서 N는 각각 3개의 원자와 공유 결합을 이루고 있고, 1개의 비공유 전자쌍을 가지고 있으므로 삼각뿔형의 구조를 가진다. 따라서 (나)는 입체 구조이다.

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ㄷ. 공유 전자쌍 수는 (가)는 4, (나)는 5이다.

[정답] ③

C, N, O의 수소 화합물 중 전자쌍 수가 4인 분자는 [eqn: rm CH _{4}], [eqn: rm NH _{ 3}], [eqn: rm H_{ 2}O]이고, 결합각은 각각 109.5°, 107°, 104.5°이다. 따라서 (가)는 [eqn: rm H_{ 2}O], (나)는 [eqn: rm NH _{ 3}], (다)는 [eqn: rm CH _{4}]이고, 루이스 전자점식은 다음과 같다.

해설

ㄱ. (가)의 결합각이 (나)와 (다)보다 작은 것은 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 비공유 전자쌍과 공유 전자쌍 사이의 반발력, 공유 전자쌍 사이의 반발력보다 크기 때문이다. 따라서 ‘전자쌍의 종류’는 ㉠으로 적절하다.

ㄷ. 비공유 전자쌍 수는 (나)는 1, (다)는 0이므로 (나)>(다)이다.

ㄴ. (가)는 [eqn: rm H_{ 2}O]이므로 분자 모양은 굽은 형이다.

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[정답] ③

전기 음성도는 H<C<O<F이고 W~Z 중 X가 가장 작으므로 X는 H이다. [eqn: rmWX _{ 2}Y]에서 중심 원자는 옥텟 규칙을 만족하므로 W는 C 또는 O인데 (다)에서 W 1개와 Y 2개가 결합하여 화합물을 형성하므로 W는 C, Y는 O이며, Z는 F이다. 따라서 (가)는 [eqn: rmCH _{ 2}O], (나)는 [eqn: rmOF _{2}], (다)는 [eqn: rmCO_{2}]이며 분자의 루이스 전자점식은 다음과 같다.

해설

ㄱ. (가)의 중심 원자인 W(C)는 비공유 전자쌍이 없고 결합된 원자 수가 3이므로 분자 모양은 평면 삼각형이다.

ㄷ. (나)의 구성 원소의 전기 음성도는 Z(F)>Y(O)이므로 중심 원자인 Y(O)는 부분적인 (+)전하를 띤다.

ㄴ. 분자의 쌍극자 모멘트가 0이 아닌 분자는 (가)와 (나)이므로 극성 분자는 2가지이다.

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[정답] ①

C, N, F가 공유 결합하여 이룰 수 있는 분자 중 원자 수가 5 이하인 분자에 대한 자료는 다음과 같다.

해설

따라서 (가)는 [eqn: rmN _{ 2}F _{ 2}], (나)는 [eqn: rmNF _{3}], (다)는 [eqn: rmCF _{ 4}]이다.

ㄱ. 무극성 공유 결합은 전기 음성도가 같은 원자 사이의 공유 결합이다. 무극성 공유 결합이 있는 분자는 (가) 1가지이다.

ㄴ. (나)는 N과 F 사이의 단일 결합 3개만 있다.

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ㄷ. (나)의 분자의 쌍극자 모멘트는 0보다 크고, (다)의 분자의 쌍극자 모멘트는 0이므로 분자의 쌍극자 모멘트는 (나)가 (다)보다 크다.

[정답] ⑤

2주기 원자 X~Z의 원자가 전자 수가 각각 5, 6, 7이므로 X는 N, Y는 O, Z는 F이다. X~Z로 이루어진 분자 [eqn: rmX _{ 2}Z _{ 2}]([eqn: rmN _{ 2}F _{ 2}])와 [eqn: rmY _{ 2}Z _{ 2}]([eqn: rmO _{ 2}F _{ 2}])의 루이스 구조식은 다음과 같다.

해설

ㄴ. [eqn: rmX _{ 2}Z _{ 2}]([eqn: rmN _{ 2}F _{ 2}])에서 X(N) 원자 사이에 2중 결합이 있다.

ㄷ. 화합물을 구성하는 원자의 산화수의 합은 0이며, 화합물에서 F의 산화수는 –1이므로 Y(O)의 산화수는 +1이다.

ㄱ. 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 전기 음성도가 크다. 원자 번호가 Y(O)가 X(N)보다 크므로 전기 음성도는 Y가 X보다 크다.

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[정답] ③

제시된 분자의 구성 조건을 만족하는 2주기 원소로 이루어진 분자는 [eqn: rmCO _{ 2}], [eqn: rmFCN], [eqn: rmCF _{ 4}], [eqn: rmNF _{3}], [eqn: rmOF _{2}] 등이 있으며 루이스 구조식은 다음과 같다.

해설

(가)는 구성 원소 수가 3가지이고, 결합각이 180°이면서 [eqn: {비공유`전자쌍`수} over {공유`전자쌍`수} =1]이므로 FCN에 해당한다.

(나)는 [eqn: {비공유`전자쌍`수} over {공유`전자쌍`수} =3]이므로 [eqn: rmCF _{ 4}]에 해당하고 결합각은 109.5°이다.

(다)는 [eqn: {비공유`전자쌍`수} over {공유`전자쌍`수} =4]이므로 [eqn: rmOF _{2}]에 해당한다.

ㄱ. (가)의 중심 원자 C는 F과 단일 결합을, N와 3중 결합을 이루고 있으므로 공유 전자쌍 수는 4이다.

ㄴ. (나)는 정사면체형의 분자 모양을 가지므로 분자의 쌍극자 모멘트는 0이다.

ㄷ. (다)는 중심 원자 O에 비공유 전자쌍이 있고 결합하고 있는 원자 수가 2이므로 분자 모양은 굽은 형이다.

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[정답] ⑤

(가)에서 X 원자 1개는 2개의 Y 원자와 각각 1개의 전자쌍을 공유했으므로 X는 16족 원소, Y는 17족 원소이다. (나)에서 Z 원자 1개는 2개의 X 원자와 각각 2개의 전자쌍을 공유했으므로 Z는 14족 원소이다.

해설

ㄱ. (가)의 중심 원자 X는 2개의 비공유 전자쌍을 가지므로 (가)의 분자 모양은 굽은 형이다. 따라서 (가)는 극성 분자이다.

ㄴ. (나)의 중심 원자 Z는 비공유 전자쌍이 없으므로 (가)의 분자 모양은 직선형이다.

ㄷ. [eqn: rmZXY _{ 2}]의 구조식은 이므로 Z와 X는 2중 결합을 형성한다.

[정답] ⑤

는 NaOH의 결합 모형을 나타낸 것이다. HXY와 NaOH가 반응하면 [eqn: rm H_2 O]와 NaXY가 생성되므로 (가)는 [eqn: rm H_2 O]이다.

해설

ㄱ. 브뢴스테드-로우리 산은 양성자([eqn: rm H ^+])를 주는 물질이다. HXY와 NaOH가 반응할 때 HXY는 [eqn: rm H ^+]를 [eqn: rm OH^-]에 주어 반응하였으므로 브뢴스테드-로우리 산이다.

ㄴ. (가)는 [eqn: rm H_2 O]로 극성 분자이므로 쌍극자 모멘트는 0이 아니다.

ㄷ. NaXY에서 [eqn: rm XY^-]의 결합 모형은 인데 [eqn: rm XY^-]에서 X와 Y는 모두 가장 바깥 전자 껍질에 8개의 전자를 가지므로 모두 옥텟 규칙을 만족한다.

[정답] ⑤

H[eqn: {}_2]O은 중심 원자 O에 비공유 전자쌍이 2개 있고 결합 원자가 2개이므로 분자 모양은 굽은 형이다. BF[eqn: {}_3]는 중심 원자 B에 비공유 전자쌍이 없고 결합 원자가 3개이므로 분자 모양은 평면 삼각형이다. CF[eqn: {}_4]는 중심 원자 C에 비공유 전자쌍이 없고 결합 원자가 4개이므로 분자 모양은 정사면체형이다. HCN는 중심 원자 C에 비공유 전자쌍이 없고 결합 원자가 2개이므로 분자 모양은 직선형이다. 극성 분자는 H[eqn: {}_2]O과 HCN이다. 따라서 (가)는 HCN, (나)는 H[eqn: {}_2]O , (다)는 BF[eqn: {}_3], (라)는 CF[eqn: {}_4]이다.

해설

ㄱ. HCN는 극성 분자이고 분자 모양은 직선형이므로 (가)에 해당한다.

ㄴ. (다)에서 전기 음성도가 다른 B와 F이 극성 공유 결합을 이룬다.

ㄷ. (나)는 굽은 형으로 결합각이 104.5°이고, (라)는 정사면체형이므로 결합각이 109.5°이다. 따라서 결합각은 (라)>(나)이다.

[정답] ④

(가)의 중심 원자 W에는 비공유 전자쌍이 1개 있고, 결합된 원자 수가 3이므로, (가)는 삼각뿔형의 분자 구조를 갖는다. (나)에서 중심 원자 Y는 비공유 전자쌍이 없고 결합된 원자 수가 4이므로, (나)는 정사면체형의 분자 구조를 갖는다. (다)에서 중심 원자 Y는 비공유 전자쌍이 없고 결합된 원자 수가 2이므로, (다)는 직선형의 분자 구조를 갖는다. (라)에서 중심 원자 Z는 비공유 전자쌍이 2개 있고 결합된 원자 수가 2이므로, (라)는 굽은 형의 분자 구조를 갖는다.

해설

ㄱ. (가)는 삼각뿔형이므로 극성 분자, (나)는 정사면체형으로 중심 원자에 결합된 원자의 종류가 같으므로 분자의 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자이다. 또한 (다)는 직선형으로 중심 원자에 결합된 원자의 종류가 같으므로 분자의 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자이고, (라)는 굽은 형이므로 극성 분자이다. 따라서 (가)∼(라) 중 무극성 분자인 2가지이다.

ㄷ. (라)는 굽은 형 구조이다.

ㄴ. (가)의 분자 구조는 삼각뿔형이므로 입체 구조이다.

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[정답] ⑤

4가지 분자의 구조식은 다음과 같다.

해설

(가) 3중 결합이 있는 분자는 [eqn: rmC _{2} H _{2}], FCN, [eqn: rmN _{2}]의 3가지이고, (나) 극성 공유 결합이 있는 분자는 [eqn: rmC _{2} H _{2}], [eqn: rmCOCl _{2}], FCN의 3가지이며, (다) 분자의 쌍극자 모멘트가 0인 분자는 [eqn: rmC _{2} H _{2}], [eqn: rmN _{2}]의 2가지이다. 따라서 4가지 분자를 분류하기 위해 A로 (다)를 적용하면 [eqn: rmC _{2} H _{2}], [eqn: rmN _{2}]와 [eqn: rmCOCl _{2}], FCN으로 분류할 수 있고, B로 (나)를 적용하면 ㉠은 [eqn: rmC _{2} H _{2}], ㉡은 [eqn: rmN _{2}]로 분류할 수 있다. 또한 C로 (가)를 적용하면 ㉢ FCN, ㉣ [eqn: rmCOCl _{2}]로 분류할 수 있다. 따라서 A는 (다), B는 (나), C는 (가)이다.

[정답] ①

ㄱ. (가)는 극성 공유 결합을 하고 있는 직선형 구조이므로 극성 분자이다.

해설

ㄴ. (나)는 중심 원자에 공유 전자쌍이 3개, 비공유 전자쌍이 1개 있으므로 삼각뿔형 구조이다.

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ㄷ. (다)는 중심 원자에 공유 전자쌍이 4개이므로 정사면체형 구조이고, 결합각은 109.5°이다. (나)는 공유 전자쌍이 3개, 비공유 전자쌍이 1개이므로 비공유 전자쌍의 반발력이 더 커서 (다)보다 결합각이 작고 107°이다.

[정답] ⑤

ㄱ. [eqn: rmCO _{2}]는 C와 O 사이에 극성 공유 결합이 있다.

해설

ㄴ. [eqn: rmCO _{2}]는 공유 전자쌍 수와 비공유 전자쌍 수가 각각 4로 같다.

ㄷ. [eqn: rmCO _{2}]는 극성 공유 결합을 형성하고 있지만 대칭 구조로 인하여 쌍극자 모멘트가 0이다. 하지만 물([eqn: rmH _{2} O])은 굽은 형 구조로 쌍극자 모멘트가 0이 아니다. 따라서 분자의 쌍극자 모멘트는 [eqn: rmCO _{2}]가 [eqn: rmH _{2} O]보다 작다.

[정답] ①

(가)에서 X의 원자가 전자 수는 5, (나)에서 Y와 Z의 원자가 전자 수는 각각 6, 7이므로 X~Z는 각각 N, O, F이다.

해설

ㄱ. (가)인 X2(N2)는 종류가 같은 원자끼리 무극성 공유 결합을 하여 생성된 이원자 분자이므로 무극성 분자이다. 무극성 분자는 분자의 쌍극자 모멘트가 0이다.

ㄴ. (가)(N2)는 공유 전자쌍 수가 3이고, (나)(OF2)는 공유 전자쌍 수가 2이다. 따라서 공유 전자쌍 수는 (가) > (나)이다.

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ㄷ. Z(F)는 원자가 전자 수가 7로 부족한 전자 1개를 다른 원자와 공유하면 옥텟 규칙을 만족하므로 Z2(F2) 분자를 형성할 때 전자쌍 1개를 공유하는 단일 결합을 한다. 따라서 Z2(F2)에는 다중 결합이 없다.

[정답] ③

CCl4, CO2, FCN, NH3의 구조식은 다음과 같다.

해설

극성 분자는 FCN, NH3이고, 이중 다중 결합이 있는 분자는 FCN이다. 따라서 ㉠과 ㉡은 각각 FCN, NH3이고, ㉢은 CO2이다.

ㄱ. ㉢은 CO2이고, CO2와 CCl4의 분자 모양은 각각 직선형, 정사면체이므로 ‘분자 모양은 직선형인가’는 (가)로 적절하다.

ㄴ. ㉠은 극성 분자이면서 다중 결합이 있는 분자이므로 FCN이다.

ㄷ. ㉡은 NH3이므로 결합각이 107°이다. ㉢은 CO2이므로 결합각이 180°이다. 따라서 결합각은 ㉢>㉡이다.

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[정답] ②

CH4은 공유 전자쌍 수가 4, 비공유 전자쌍 수가 0이고, CH4에는 단일 결합만 존재한다. CH4은 무극성 분자이고, 정사면체 구조이므로 입체 구조이다. NH3는 공유 전자쌍 수가 3, 비공유 전자쌍 수가 1이고, NH3에는 단일 결합만 존재한다. NH3는 극성 분자이고, 삼각뿔형 구조이므로 입체 구조이다. HCN는 공유 전자쌍 수가 4, 비공유 전자쌍 수가 1이고, HCN에는 단일 결합과 3중 결합이 존재한다. HCN는 극성 분자이고, 직선형 구조이므로 평면 구조이다.

해설

① CH4, NH3에는 단일 결합만 존재한다.

③ CH4과 HCN는 공유 전자쌍 수가 4이다.

④ NH3와 HCN는 극성 분자이다.

⑤ NH3와 HCN는 비공유 전자쌍 수가 1이다.

② CH4은 입체 구조이지만, HCN는 평면 구조이다.

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[정답] ⑤

(가)는 CH4, (나)는 C2H4이다.

해설

ㄱ. CH4은 중심 원자 C에 4개의 공유 전자쌍이 있으므로 분자 모양이 정사면체이다.

ㄴ. (나)에는 C 원자 사이의 결합이 있으므로 무극성 공유 결합이 있다.

ㄷ. (가)는 정사면체 구조로 결합각 ∠HCH가 109.5°이다. (나)에서 C 원자는 1개의 C 원자, 2개의 H 원자와 결합하므로 평면 삼각형 구조로 결합각 ∠HCH는 약 120°이다.

[정답] ⑤

2주기 원소로 이루어진 분자 중 WX2, XZ2와 같은 분자식을 갖는 분자는 CO2와 OF2이다. 전기 음성도는 X>Y>W이므로 WX2는 CO2, XZ2는 OF2이다. W, X, Z는 각각 C, O, F이므로 YZ3는 NF3이고, Y는 N이다. (가)~(다)는 각각 WX2(CO2), YZ3(NF3), XZ2(OF2)이다.

해설

ㄴ. 극성 분자는 YZ3(NF3)와 XZ2(OF2)이고, 무극성 분자는 WX2(CO2)이다.

ㄷ. Y2(N2)에는 다중 결합인 3중 결합이 있다.

ㄱ. WX2(CO2)에는 2중 결합이 2개 있으므로 공유 전자쌍이 4개 있다.

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[정답] ①

ㄱ. (가)~(다)의 모든 원자는 옥텟 규칙을 만족하므로 (나)에서 Z는 비공유 전자쌍이 1개 존재한다. 따라서 (나)의 분자 모양은 삼각뿔형이고 극성을 나타낸다.

해설

ㄴ. (다)의 X에는 비공유 전자쌍이 없으므로 (다)의 분자 모양은 평면 삼각형이다.

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ㄷ. W는 2중 결합을 하므로 홀전자가 2개이고, Y는 단일 결합을 하므로 홀전자가 1개이다. 따라서 [eqn: rmWY _{ 2}]의 분자 모양은 굽은 형이다.

Y - W - Y

‥

‥

[정답] ③

(가)는 인산([eqn: rmH _{ 3}PO _{ 4}]), (나)는 아세트산([eqn: rmCH _{ 3}COOH])이다.

해설

ㄱ. (가)와 (나)의 O에는 모두 비공유 전자쌍이 있다.

ㄴ. 극성 공유 결합은 전기 음성도가 다른 두 원자 사이의 공유 결합이다. 따라서 (가)와 (나)에는 모두 극성 공유 결합이 있다.

ㄷ. (가)의 P은 공유 전자쌍 수가 5이므로 확장된 옥텟이 적용되는 원자이다. 그러나 (나)에는 확장된 옥텟이 적용되는 원자가 없다.

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[정답] ③

ㄱ. (나)에서 C 원자는 비공유 전자쌍이 없고 3개의 원자와 결합하였으므로 분자 모양은 평면 삼각형이며, (나)의 쌍극자 모멘트는 0이 아니다. 따라서 (나)는 극성 분자이다.

해설

ㄷ. (가)와 (나)에서 O에는 2개의 비공유 전자쌍이, F에는 3개의 비공유 전자쌍이 있다. (가)에는 O 원자 2개가 있으므로 총 4개의 비공유 전자쌍이 있고, (나)에는 O 원자 1개, F 원자 2개가 있으므로 총 8개의 비공유 전자쌍이 있다. 따라서 비공유 전자쌍 수는 (나)가 (가)의 2배이다.

ㄴ. (가)에서 C 원자는 비공유 전자쌍이 없고 H 원자 3개, O 원자 1개와 결합하였으므로 C에 결합된 4개의 원자는 사면체의 꼭짓점에 위치한다. 따라서 결합각([eqn: alpha])은 약 109.5°이다. (나)에서 결합각([eqn: beta])은 약 120°이므로 결합각은 [eqn: beta>alpha]이다.

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[정답] ③

XY2는 중심 원자의 비공유 전자쌍 수가 0이므로 X와 Y 사이에는 2중 결합이 있다. X와 Y는 각각 C, O이다. XYZ2에서 X와 Y가 각각 C, O이므로 Z는 F이다. XY2, XYZ2, YZ2는 각각 CO2 COF2, OF2이고, 루이스 구조식은 다음과 같다.

해설

ㄱ. X~Z는 각각 C, O, F이다.

ㄴ. XYZ2(COF2)의 중심 원자인 X(C)에는 비공유 전자쌍이 없다.

ㄷ. XY2(CO2)와 XYZ2(COF2)에는 2중 결합이 있으므로 Ⅰ~Ⅲ 중 다중 결합이 있는 것은 2가지이다.

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