이온 결합과 공유 결합

이온 결합이란

어떠한 이온이 이온화 에너지가 낮은 경우 이것은 양이온을 형성하기 쉬운 상태입니다. 반대로 전자 친화도가 높은 원소는 음이온을 형성하기 좋은 상태입니다. 일반적인 상황이라면 알칼리 금속과 토금속은 양이온을 형성하는 것으로 생각하면 됩니다. 반대로 halogen족이나 산소의 경우 음이온을 형성하기 쉬운 물질로 생각하면 됩니다. 이러한 설명을 하는 이유는 이러한 특성을 통해 이온들끼리 묶이는 정전기적 힘을 이온 결합이라고 규정할 수 있기 때문입니다. 이온 결합 화합물의 대표적인 특징은 1 atm, 섭씨 25도씨 조건에서 고체 상태로 존재한다는 것입니다. 

 

격자 에너지(Lattice energy)란?

이온 결합 화합물이 1 atm에 섭씨 25도씨 조건에서 고체 상태로 존재하기 때문에 이 화합물의 안정도를 정량적으로 표기하고자 한다면 격자 에너지로 표기가 가능합니다. 격자 에너지의 정의는 1 mol의 고체 이온 결합 화합물을 만들 때 방출되는 에너지의 양이라고 정의할 수 있습니다. 반대로 1 mol의 고체 상태 이온 결합 화합물을 분리시켜서 기체로 만들 때 필요한 에너지로 생각할 수도 있습니다. 격자 에너지를 계산하고자 한다면 Coulomb 법칙을 이용해서 계산할 수 있습니다. 이 법칙은 두 이온 사이 에너지(E)가 전하의 곱에는 비례하고, 이온 간 거리에는 반비례한다는 것을 공식으로 표현한 법칙입니다. 

 

공유 결합이란

Lewis 점 전자식을 보면 H:H와 같은 형태로 표기되어 있는 수소 기체의 표기를 확인할 수 있습니다. 이렇게 서로 공유하는 전자쌍 형태를 Covalent bond(공유 결합)라고 할 수 있습니다. 만약 covalent compound라고 어떤 물질을 정의한다면 그것은 공유 결합만으로 이루어진 화합물을 말합니다. Lewis 점 전자식 표기 상 서로 공유된 부분에 해당하는 전자들을 공유 전자쌍이라고 말합니다. 반면 공유하고 있지 않은 부분은 비공유 전자쌍(nonbonding electron)이라고 말합니다. 공유 결합을 통한 분자의 결합에는 8 전자 규칙이 있습니다. 영어로는 octet rule이라고 표기할 수 있는데, 이것은 무슨 말인가 하면 원자들은 8개의 전자에 둘러싸일 때까지 결합을 형성하는 경향성을 나타내는 것을 말합니다. 물론 수소 원자는 예외입니다. 수소의 경우에는 2개의 전자를 갖고자 하는 특성을 보입니다. 하나의 전자쌍을 공유해서 결합하면 single bond(단일 결합)라고 표현합니다. 만약 두 개를 공유하면 double bond(이중 결합), 세 개를 공유하면 Triple bond(삼중 결합)이라고 말합니다. 공유 결합에서 결합 길이는 두 원자의 핵을 기준으로 측정합니다. 겉 표면이 아닌 중심부 핵 간의 길이를 기준으로 한다는 점을 꼭 기억하시면 좋겠습니다.

 

전기 음성도

전기 음성도는 electronegativity라고 번역됩니다. 전기음성도는 화학 결합에 있어서 원자가전자들을 끌어당기는 정도를 의미합니다. 전기 음성도가 큰 원소이면 전기음성도가 작은 원소에 비해 전자를 끌어당기는 경향성이 더 크다는 것을 말합니다. 전기음성도는 상대적인 개념으로 대부분 halogen족이나 산소, 질소, 황 등이 전기음성도가 큰 것을 확인할 수 있습니다. 반면 Li이나 Na, K, Rb등은 전기음성도가 상대적으로 낮습니다. 주기율표상에서 오른쪽에 위치한 원소들이 대부분 전기음성도가 크다고 보시면 됩니다. H의 경우 왼쪽에 있지만 전기음성도가 크다고 기억하시면 됩니다. 

 

형식 전하(Formal charge)란?

형식 전하라는 것은 원자가전자수에서 할당된 전자 수를 뺀 값을 의미합니다. 할당된 전자수라는 것은 공유 전자수의 절반에 비공유 전자수를 더해서 계산합니다. 형식 전자를 표기할 때 +1이거나 -1이면 1이라는 숫자는 제외하고 +나 -로 표기하는 것이 일반적입니다. 중성 분자의 경우 전기적으로 중성이어야 합니다. 그래서 중성 분자의 형식 전하는 당연히 0이 되어야 합니다. 양이온이나 음이온에서 형식 전하의 합은 양전하 또는 음전하와 값이 같아야 합니다. 형식 전하를 바탕으로 이해할 때 주의할 점은, 형식 전하는 분자를 구성하는 원자들의 원자가전자의 분포를 이해할 때 사용할 수 있는 개념일 뿐 이것이 실제 전하의 분리를 나타내는 것이 아님을 기억하고 있어야 합니다. 

 

공명(Resonance) 구조란?

공명 구조라는 것은 특정 분자를 표기할 때 Lewis 구조를 두 개 이상 사용해서 표기할 수 있는 구조를 말합니다. 가장 좋은 예시는 C6H6의 화학식을 갖는 벤젠 고리입니다. 보통 표기상 정육각형 모양으로 C 원자들 사이 거리는 140pm입니다. 그런데 이를 벤젠고리 육각 형식 공명 구조로 표현하면 C-C와 C=C로 표기가 됩니다. C-C 간 거리는 154pm이고 C=C 간 거리는 133pm이기 때문에 공명 구조 표기 방식 상 정육각형이 아닌 찌그러진 육각형 형태로 오해될 수도 있습니다. 그렇기 때문에 공명 구조라는 것은 실제 분자의 모양을 최대한 비슷하게 만들어 보기 위해 탄생한 것으로 이해를 하셔야 합니다. 공명 구조를 나타낸 구조식으로는 실제 분자 모양을 정확하게 표기하지는 못합니다. 그래서 두 개 이상의 Lewis 구조식으로 표기되는 물질이라도 이 두 개의 공명 구조 사이를 왔다 갔다 하는 것이 아닙니다. 그저 이해하기 쉽게 임의로 표기한 방식일 뿐 두 구조 중 하나이거나 둘 사이를 왕복하는 개념이 아니라는 것을 잘 기억하시기 바랍니다.