화학결합의 종류, 공유결합/이온결합/약한 화학결합

지난 포스팅에서는 원자의 구조와 특성들을 알아보았습니다. 그래서 이번에는 원자들이 어떻게 결합해서 분자와 이온 화합물로 만들어지는지 소개해드리겠습니다. 화학결합의 종류로는 크게 공유결합, 이온 결합 그리고 약한 화학결합들이 있습니다.

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원자에는 원자가 껍질이 존재합니다. 저마다 각기 다른 원자가 전자 수를 가지며, 자신의 원자가 껍질에 전자 수를 채우려고 다른 원자들과의 상호작용이 일어납니다.

 

이러한 작용들은 원자들을 가까이 위치하게 하고, 화학결합이라는 힘을 통해서 유지됩니다. 이 중에서도 가장 강한 결합은 이온 결합과 공유결합입니다. 

공유결합

공유결합은 한 쌍의 원자가 전자가 두 원자에 의해서 공유되고 있습니다. 각 수소원자는 두 개의 전자를 가지고 원자가 껍질을 채우고 있습니다. 두 개 이상의 원자들이 공유결합을 통해 분자를 이루게 되어 수소 분자가 생성되는 것입니다.

 

전자의 공유는 전자 분포도를 이용하여 H-H로 나타내기도 하고, 원소기호를 잇는 선은 하나의 공유결합을 뜻하며, 단일 결합을 나타냅니다.  

이번에는 산소로 예를 들겠습니다. 산소는 두 번째 전자껍질에 6개의 전자를 가지고 있기 때문에, 원자가 껍질을 채우려면 2개의 전자가 더 필요합니다. 두 개의 산소 원자는 두 쌍의 원자가 전자를 공유함으로써 산소 분자를 형성합니다. 이때 두 분자는 이중결합이 형성됩니다.

 

O=O 이러한 모습을 띄게 됩니다. 산소의 최외각 원자가 껍질에는 6개이지만 서로 2개의 전자가 필요하기 때문에 갖고 있던 전자 2개씩을 내놓으면 4개가 중간에 생겨서 이를 공유한다고 생각하시면 이해가 쉽게 되실 겁니다.

 

원자들은 상이한 결합 능력을 보유하고 있는데, 이 것을 원자가라고 합니다. 만약 탄소의 경우 최외각 원자가 껍질에 전자가 4개 존재하기 때문에, 탄소의 원자가이자 결합능력은 4입니다. 

 

또한 특정 원자가 공유결합에 관여하는 전자를 끌어당기는 힘을 '전기 음성도'라고 합니다. 원자의 전기 음성도가 높을수록 공유하고 있는 전자를 더욱 강하게 끌어당기는 것이고 낮을수록 그 힘이 약한 것을 의미합니다.

 

같은 원소의 경우 전기 음성도가 같으므로 끌어당기는 힘 또한 같은 공유결합을 형성합니다. 이러한 결합은 '비극성 공유결합'이라고 합니다. 수소나 산소가 이 경우에 해당합니다.

 

그러나 같은 원자가 아닌 다른 하나의 원자와 결합을 하게 되는 경우에는 서로 다른 힘을 가지고 공유결합을 하게 됩니다. 이러한 결합은 '극성 공유결합'이라고 합니다. 

이온 결합

이온 결합을 설명하기에는 NaCl이 가장 예로 들기에 적합할 것입니다. 소듐과 염소는 각각 원자번호가 11과 17입니다. 최외각 전자의 수가 1과 7입니다.

 

이 경우에는 공유결합을 할 수도 있다고 생각하지만 전기 음성도의 차이가 너무 크게 나버리면, 전기 음성도가 큰 쪽에서 약한 쪽으로부터 뺏어버리는 경우가 생깁니다.

 

그래서 전자를 뺏겨서 양성자는 11개이지만, 전자는 10개밖에 가지지 못하는 소듐은 +의 전하를 띠게 되어 양이온이 됩니다. 반면에, 양성자는 17개이지만, 전자는 18개가 돼버린 염소는 -의 전하를 띠게 되어 음이온이 됩니다. 이러한 상반되는 전하 때문에 양이온과 음이온은 서로를 끌어당기게 되어 생기는 결합을 '이온 결합'이라고 합니다. 이온 결합에 의해 형성되는 화합물을 이온 화합물, 염이라고 합니다. 

약한 화학결합

화학결합 중에서 가장 강한 것은 공유결합으로, 원자들을 연결시켜서 세포 내의 분자들을 만들어줍니다. 그렇지만 공유결합 이외에도 분자 내에서의 약한 화학결합들이 있습니다. 이러한 화학결합들도 생체 내에서 아주 중요한 역할을 하기도 합니다.

 

약한 결합의 특징으로는 가역성이 있습니다. 약하게 결합된 만큼 떨어지는 것도 쉬워서 반응 후에 분리되는 것이 자유롭습니다. 그중 하나가 물에서 쉽게 녹는 이온들 사이의 이온 결합이고 '수소결합'과 '반 데르 발스 인력'이 존재합니다. 

• 수소결합

수소는 전자를 1개만 가지고 있는 탓에, 다른 전기 음성도가 높은 원자들에 의해 붙었다가 또 다른 곳에서 끌어당기는 끌려가는 그러한 현상이 나타나게 됩니다. 이러한 수소원자가 전기 음성도가 높은 원자 사이의 비공유 인력을 수소결합이라고 합니다. 

• 반 데르 발스 인력

비극성 공유결합으로 이루어져 있는 분자 또한 약한 양전하와 음전하를 띌 수 있습니다. 이러한 분자 내의 전자들은 항상 균등한 분포를 이루는 것이 아니고, 경우에 따라 분자의 한 부분에만 집중적으로 위치하기도 합니다.

 

그래서 완전한 음전하, 양전하를 띄는 부분이 생겨 모든 원자와 분자들이 결합할 수 있게 됩니다. 이러한 인력은 아주 약하고, 원자와 분자들이 아주 가깝게 있을 때만 일어날 수 있습니다. 이 것이 반 데르 발스 인력입니다. 

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반 데르 발스 인력뿐만 아니라, 수소결합, 이온 결합 그리고 약한 결합들은 분자들에서만 나타나는 것이 아니라 단백질의 특정 부분에서도 형성됩니다. 약한 결합들이 모여서 큰 분자의 3차원 구조를 유지시키는 힘이 되는 것입니다.

 

특히 약한 화학결합의 경우에는 생체 내에서 아주 중요한 기능적 역할을 하고 있기 때문에, 결합의 강도가 강하다고 해서 더 중요한 것이 아님을 말씀드립니다.