분자 화합물의 결합에는 네 가지 종류가 있다

-원자의 결합

앞에서 설명된 바와 전자로 채워진 에너지준위 전자껍질은 매우 안정적이다. 전자껍질을 채우고 안정적인 전자배열을 이루기 위해서 원자는 전자를 이동시키거나 공유하게 되는데, 전자를 이동시키거나 공유함으로써 원자 사이에 강한 결합이 이루어지게 된다. 결합에는 중요한 네 가지 종류가 있다.

1. 이온결합: 원자 간의 전자이동은 자유로운 개체로 존재하는 양이온과 음이온을 형성하지만, 전기적인 힘에 의해서 양전하를 띠는 원자와 음전하를 디는 원자가 서로 끌어당기게 되어 이온결합을 이룬다. 그림3.2에서 보여주는 리튬과 플루오르의 결합은 이온결합을 이루고 있다.

이온결합을 이루는 화합물은 중간적인 강도와 경도를 나타낸다. 소금은 이온결합을 하고 있다. 우리가 소금을 섭취하면 입에 녹아서 NaCl은 Na+과 Cl- 이온으로 분리된다. 원소 Na와 Cl은 독성이 있지만 용액에 존재하는 이들이 이루는 이온은 그렇지 않다. 우리가 느끼는 소금맛을 내는 것은 바로 이온들 때문이다.

2. 공유결합: 어떤 원자들에서는 전자들이 이동하는 대신에 서로 공유하게 된다. 전자를 공유함으로써 이온이 되는 것은 아니지만 공유결합이라 하는 강력한 결합을 이루게 된다. 공유결합을 이루는 중요한 물질로서 탄소의 일종인 다이아몬드를 들 수 있다. 탄소의 두 번째 에너지준위 전자껍질에는 네 개의 전자가 있지만 최대한 안정하기 위해서는 8개의 전자가 필요하다. 안정되기 위해서 각각의 탄소원자는 그림 3.3에서 보듯이 다른 4개의 탄소원자와 함께 2개씩 전자를 공유하고 있다.

공유결합을 이루는 원소와 화합물은 강하고 단단한 특징이 있다. 공유결합에 의해서 다이아몬드와 다른 물질들은 특징적인 광학적 성질을 띠게 된다. 사람들이 매료되는 다이아몬드의 광채는 공유결합 때문에 발생한다.

공유결합을 이루고 있는 다른 중요한 물질중의 하나가 물이다. 산소의 두 번째 에너지준위 전자껍질은 6개의 전자가 있지만 최대한 안정하기 위해서는 8개의 전자로 채워져야 한다. 수소원자는 첫 번째 에너지준위 전자껍질에 하나의 전자를 갖고 있지만 최대한 안정되려면 두 개의 전자가 채워져야 한다. 따라서 그림 3.4에서처럼 두 종류의 원자가 전자를 서로 공유함으로써 필요한 전자들을 충족시키고 있다.

3. 금속결합: 금속은 일부 광물들에서도 볼 수 있는 특수한 결합을 이루고 있다. 금속결합에서는 원자들이 가깝게 밀집하여 있다. 높은 에너지준위 전자껍질에 있는 전자들은 다른 몇 개의 원자들과 공유되어 있

그림3.3 다이아몬드의 공유결합. A. 각 탄소 원자가 에너지준위의 전자껍질 2의 네 개의 전자를 다른 네 개의 탄소와 공유함으로써 전자껍질 2에는 8개의 전자로 채워지는 것을 보여주는 개략적 그림. 서로 공유하는 전자의 쌍은 공유결합을 이고 있다. B. 다이아몬드내의 탄소가 기하학적으로 배열된 3차원적인 그림. 각 원자는 4개의 다른 원자에 둘러싸여 있다. 실제 다이아몬드의 공유결합은 A에서 개략적으로 보여주는 것처럼 2차원적이 아니라 3차원적으로 일어난다.

으며, 전자들은 매우 느슨하게 결합되어 있으므로 하나의 원자에서 다른 원자로 쉽게 이동할 수 있다. 이러한 전자들의 자유로운 이동에 의해서 금속들은 특징적인 성질을 띠게 되는데, 에를 들면 금속은 불투명하고 무르거나 열과 전기의 높은 전도성을 가진다. 금, 은, 철, 구리, 수은, 백금 등이 금속결합을 이루는 자연상으로 산출하는 금속광물들이다.

4. 판데르바알스 결합: 마지막 종류의 결합인 판데르바알스 결합은 전자의 이동에 의해서 생성된 일부 분자들 사이에서 발생하는 약한 여분의 척력에 의해서 발생한다.

 

판데르바알스 결합은 이온, 공유 또는 금속결합보다는 약하지만, 어떤 광물에서는 중요한 역할을 하는데 흑연이 아주 좋은 예다. 흑연은 단지 탄소 원자만 함유하고 있는데, 각 탄소들은 정삼각형 형태의 모서리에 위치한 다른 세 개의 탄소 원자들과 결합하여 판상 구조를 이루고 있다(그림3.5). 판을 이루는 면을 구성하는 탄소원자들은 공유결합을 하고 있으므로 각각의 판은 매우 강하고 휘어질 수 있다. 흑연이 테니스 라켓이나 골프채를 제조하는데 이용될 수 있는 이유는 바로 이러한 공유결합 때문이다. 각각의 흑연판들은 약한 판데르바알스 결합에 의해 붙어있는데, 이 결합은 매우 약해서 쉽게 떨어질 수 있다. 흑연을 손가락으로 비비면 미끈하게 느껴지는데, 손가락 사이로 비빌 때 판데르바알스 결합에 의한 흑연판들이 쉽게 떨어지기 때문이다. 흑연은 매우 높은 온도에서 윤활제로 사용되는데, 이때 약한 판데르바알스 결합이 중요한 역할을 한다.

그림3.4 물의 공유결합. 두 개의 수소 원자가 산소원자와 전자를 서로 공유함으로서 공유결합을 이룬다. 전자를 공유함으로서 산소 원자는 전자껍질 2에 안정적인 8개의 전자를 가지게 되며, 수소 원자는 전자껍질 1에 두 개의 전자를 갖게 되어 화합물 H2O를 생성한다.

그림3.5 흑연은 왜 미끄럽게 느껴질까? 흑연에서의 3차원적 원자배열 모습. 판 내의 원자들의 결합은 공유결합을 이루고, 각 판들 간의 결합은 판데르바알스 결합으로 이루어져 있다. 판데르바알스 결합은 매우 약해서 쉽게 떨어질 수 있으므로 흑연을 손가락으로 비비면 공유결합으로 구성된 흑연판들이 서로 쉽게 미끌어진다.

탤컴파우더(화장품의 일종)는 판데르바알스 결합을 하는 화합물의 다른 예다 탤컴파우더를 사용하는 광물인 활석은 흑연의 판상구조와 유사한 결정구조를 하고 있어, 흑연판에서처럼 판데르바알스 결합에 의하여 활석판들이 서로 붙어있다. 탤컴파우더는 부드럽고 미끄럽게 느껴지는데 바로 판데르바알스 결합이 쉽게 떨어지기 때문이다.

 

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