화학_화학 결합(Chap.2 공유결합)

안녕하세요! 오늘도 재미있는 화학이야기로 시작합니다 ㅎㅎ

오늘은 어제에 이어서 우리 주변 분자들의 세 가지 방식 중 두 번째 방식 바로 공유결합에 관한 내용입니다.

 

비금속 원소들은 원자가 전자를 내놓으려는 경향이 비슷하기 때문에 전자를 내놓으면서

양이온과 음이온이 되기 어렵습니다. 따라서 비금속 원소들은 서로 원자가 전자를 공유해서 옥텟규칙을 만족하려 합니다.

이처럼 원자가 전자를 내놓아 전자쌍을 만들어 이루어지는 화학 결합을 '공유결합'이라고 합니다.

<H2의 공유 결합>

수소 원자는 원자가 전자가 1개이므로 수소 원자 두 개가 각각 전자를 하나씩 공유함으로써 수소분자를

형성하는데 이 과정에서 각각의 수소원자는 헬륨과 같은 전자배치를 가지며 안정해집니다.

공유된 전자쌍은 두 개의 수소원자핵에 의해 끌리게 되고, 이 인력으로 인해 두 원자가 결합을 유지합니다.

공유 결합도 이온 결합처럼 1대1의 결합만 하는게 아니라 필요한 만큼 전자를 공유할 수도 있는데요.

전자를 서로 하나씩 공유하면 '단일 결합', 두 개면 '2중 결합', 세 개면 '3중 결합'이라고 합니다.

<플루오린의 공유 결합>

플루오린은 원자가 전자가 7개이기 때문에 옥텟규칙을 만족하기 위해 필요한 전자는 1개이고

플루오린 원자가 각각 1개의 전자를 공유하여 Ne과 같은 전자배치를 만족하며 안정해집니다.

1개의 전자쌍을 공유하므로 단일 결합입니다.

<산소의 공유 결합>

산소는 원자가 전자가 6개이기 때문에 옥텟규칙을 만족하기 위해 필요한 전자는 2개이고

산소 원자가 각각 2개의 전자를 공유하여 Ne과 같은 전자배치를 만족하며 안정해집니다.

이 경우 2개의 전자쌍 공유하므로 2중 결합입니다.

<질소의 공유 결합>

질소는 원자가 전자가 5개이기 때문에 옥텟규칙을 만족하기 위해 필요한 전자는 3개이고

질소 원자가 각각 3개의 전자를 공유하여 Ne과 같은 전자배치를 만족하며 안정해집니다.

이 경우 3개의 전자쌍을 공유하므로 3중 결합입니다.

 

공유 결합에서의 형성은 어떤 에너지 상태를 만족할까요?

수소원자를 예로 들어보죠.

 

<수소 원자의 원자핵 사이의 거리에 따른 에너지 변화>

수소 원자가 공유 결합을 형성할 때 수소 원자들이 너무 멀리 떨어져 있으면 작용하는 정전기적 인력이 작아 결합을 이루지 않지만 74pm가 되는 순간 수소원자의 에너지가 안정되어 공유결합을 형성하네요. 이 때 에너지가 가장 안정된 두 원자핵사이의 거리 즉, 다시 말해서 원자들이 공유 결합을 이루는 거리를 '공유 결합 길이' 또는 '결합 길이'라고 합니다.

또한 수소 분자 1몰이 결합 길이에서 떨어져서 다시 기체상태의 H2로 만들 때 필요한 에너지를 '결합 에너지'라고 합니다.

결합에너지는 수소 분자 뿐만 아닌 기체 상태의 분자 1몰에서 공유 결합을 끊을 때 필요한 에너지를 일컫습니다.

결합에너지가 클수록 분자를 이루는 원자 사이의 결합이 아주 끈끈하다는 이야기입니다.

이온 결합에서의 에너지 변화 그래프와 비슷해보이지만 큰 차이점은 공유 결합은 오로지 원자핵들 사이의 거리에 따라

인력과 반발력이 결정되는 점이라고 할 수 있겠습니다. 

 

공유 결합에서 원자와 원자핵사이의 결합은 이온 결합의 세기와 비슷하지만 분자와 분자사이의 결합은 약합니다.

따라서 이온 결합 물질과 조금 다른 특성을 가지고 있는데요. 함께 알아볼까요?

 

1. 전기전도성

공유 결합 분자들의 구조 특성상 원자가 전자들이 서로 공유되어 분자안에 속박되어 있기 때문에

고체와 액체상태에서 전기전도성이 없습니다. 

 

2. 녹는점과 끓는점

앞서 이야기한대로 개별 분자들 사이의 인력이 비교적 낮은 편에 속하기 때문에 녹는점과 끓는점이 대부분 낮습니다.

그렇지만 다이아몬드, 이산화 규소(SiO2)같은 결정들은 녹는 점이 매우 높습니다.

 

3. 물에 대한 용해성

공유 결합 물질은 대부분 물에 잘 녹지 않습니다. O2, N2와 같은 무극성 분자들이 많기 때문이죠. 또한 물에 용해되어도

이온으로 해리 되진 않습니다.

 

공유 결합 물질은 두 가지로 나뉘는데 공유 결정과 분자 결정이 있습니다.

공유 결정은 분자 결정과 달리 인접한 모든 원자들이 강한 공유 결합에 의해 그물처럼 연결되어 있어 매우 단단하고

녹는점과 끓는점이 매우 높습니다. 다이아몬드, 흑연, 이산화규소가 그 예시인데요. 흑연 같은 경우 독특한 구조때문에

예외적으로 고체상태에서 전기 전도성이 있습니다.

<정사면체 다이아몬드 구조>

사진에서 알 수 있듯이 다이아몬드는 1개의 탄소 원자가 주위에 있는데

4개의 탄소 원자와 공유 결합을 하여 아주 단단하게 결합하고 있습니다.

 

분자 결정은 분자들이 규칙적으로 배열하여 고체 결정을 이루고 있습니다. 분자 결정을 유지하는 힘은 각 분자들 사이에

작용하는 인력인데 공유 결정에 비해서 훨씬 약한 편이기 때문에 녹는점과 끓는점이 매우 낮고 승화성을 가지고 있어

대부분 상온에서 기체 상태로 존재합니다. 그 예로는 드라이아이스, 아이오딘, 나프탈렌 등이 있습니다.

<드라이아이스의 구조>

참고로 '승화'에 대해서 생소하신 분들에게 말씀드리면 물질의 세 가지 상태에서 (고체, 액체, 기체 플라즈마 제외)

곧바로 기체에서 고체로, 고체에서 기체로 변화하는 현상도 있는데 이러한 현상을 바로 ‘승화’라고 합니다.

드라이아이스는 분자간 인력이 약해서 상온에 노출되면 바로 고체에서 기체로 변화합니다.

 

오늘은 공유 결합에 대한 내용을 공부해봤습니다. 알면 알수록 재밌지 않나요? 보이지 않는 원자들이 이렇게 결합한다니..

화학을 공부하는 많은 분들에게 도움이 되셨으면 좋겠고  많은 관심 부탁드립니다. 저는 이만 여기서 마무리하겠습니다 :)

 

 

 

사진 출처: 구글