불안정한 물질 : 백린
불안정한 분자구조 때문에 백린은 위험하다.
전자쌍 반발이론
전자쌍 반발 이론(VSEPR)은 복잡한 구조를 가진 물질의 구조와 모양을 예측하는 효과적인 방법입니다. 단어가 조금 복잡할 뿐 다음 내용만 알면 충분히 이해할 수 있습니다.
1. (-)극을 가진 전자들이 서로를 반발력으로 밀어낸다.
2. 따라서 최외각 전자들은 서로 최대한으로 멀리 떨어지려 한다.
3. 원자끼리 공유결합하면 공유 전자쌍이 생기며 분자가 된다.
4. 분자는 전자쌍들의 반발을 최소화하는 방향으로 결합된다.
우리는 전자쌍 반발이론 다이아몬드가 매우 안정한 물질이라는 사실을 알 수 있습니다. 탄소(C)를 통해 다이아몬드의 안전성을 알아볼까요?
탄소의 공유결합
탄소는 최외각 전자가 4개입니다. 그래서 다른 탄소원자 4개와 공유결합할 수 있습니다.
공유 결합 표현
탄소들이 뭉쳐있을 때, 주변 탄소원자들과 공유결합을 하면 4방향의 전자쌍이 생깁니다. 전자쌍 표현이 잘 보여주고 있죠. 그런데 너무 복잡하니 공유결합만 표시하는 방식으로 간단히 그림을 그릴 수 있습니다. 그럼 왼쪽의 전자쌍 표현 그림이 오른쪽의 공유 결합 표현 그림으로 변합니다. 그러나 실제 탄소들의 결합은 조금 더 복잡합니다.
3차원 입체 표현
우리가 사는 세상은 3차원 입체 세상이기 때문에 탄소원자들의 배열을 다시 그리면 오른쪽 그림이 나옵니다. 특이한 점은 탄소원자들이 정사면체를 이루고 있다는 점입니다. 이건 왜 그런걸까요? 전자쌍 반발이론은 정사면체가 되는 이유를 설명합니다.
안정적인 다이아몬드
전자쌍 반발 원리에 따라 입체상에서 전자끼리 가장 멀어지려면 정사면체 구조가 나오게 됩니다. 정사면체 각 꼭지점에 탄소원자가 놓여 중심부에 있는 또 다른 탄소원자와 결합하는 구조인 것입니다.
이렇게 정사면체 구조로 뭉친 탄소를 우리는 다이아몬드라 부릅니다. 다이아몬드는 정말 단단합니다. 모든 탄소 원자가 강력한 공유결합으로 뭉쳐있기 때문이죠. 또한 다이아몬드는 부식이 되지 않아 매우 안정적입니다. 탄소끼리의 공유결합을 쉽사리 깨기가 힘들기 때문입니다.
우리는 다이아몬드를 통해 결합각이 109.5도 가 되면 화학적으로 매우 안정하고 단단한 물질이 만들어지는걸 알 수 있습니다.
아니, 백린을 알려준다더니 왜 딴소리냐구요? 백린은 다이아몬드와 비슷한듯 약간 다른 결합구조를 가지고 있습니다. 그래서 백린은 매우 불안정합니다.
불안정한 백린
백린은 다이아몬드와 비슷한 구조를 이루는 것처럼 보이지만 조금 다른 구조를 가지고 있습니다. 중심원자가 없는 정사면체 구조로 서로 공유결합을 하고 있는것이죠. 3차원 입체상에서 가장 안정한 공유결합각은 109.5도인데, 백린의 결합각은 60도입니다. 공유결합하는 전자들이 너무 가까이 붙어있기 때문에, 전자 사이의 반발력으로 공유결합이 깨지기 쉽습니다. 즉, 백린은 불안정한 4인 구조(4P structure)를 가지고 있습니다.
불안정한 백린은 위험하다
우리는 화학을 통해 백린의 불안정성을 알 수 있었습니다. 불안정한 백린은 높은 반응성으로 위험합니다. 그렇다면 백린이 위험하다는 사실을 오스트리아 의사 로린저만 알고 있었을까요? 그렇지 않았습니다. 이미 백린이 위험하다는 걸 아는 다른 사람들이 있었습니다...
