결합의 극성

털가죽으로 문지른 막대를 가느다란 물줄기에 가까이 대면 물줄기가 휜다. 그런데 같은 막대를 사염화 탄소 줄기에 대면 휘지 않는다. 이산화 탄소와 물은 둘 다 산소와 다른 원자가 결합한 분자인데, 물은 극성이고 이산화 탄소는 무극성이다. 무엇이 이 차이를 만들까?

결합각 (°)

2.2.1전기 음성도

공유 결합에서 두 원자는 전자쌍을 함께 가진다. 그런데 두 원자가 전자쌍을 똑같은 힘으로 당기지는 않는다. 원자핵의 전하가 크고 원자의 크기가 작을수록 공유 전자쌍을 더 세게 끌어당긴다. 이 끌어당기는 정도를 수로 나타낸 것이 전기 음성도이다.

수소 2.1, 탄소 2.5, 질소 3.0, 산소 3.5, 플루오린 4.0이다. 전기 음성도가 다른 두 원자가 결합하면 전자쌍이 한쪽으로 치우쳐, 그쪽 원자는 부분적인 음전하 \(\delta^-\), 반대쪽은 부분적인 양전하 \(\delta^+\)를 띤다. 이런 결합을 극성 공유 결합이라 하고, 같은 원자끼리의 결합처럼 치우침이 없는 결합을 무극성 공유 결합이라 한다.¹

2.2.2분자의 극성

결합의 치우침은 방향이 있는 양이므로 화살표, 곧 쌍극자로 나타낸다. 분자 전체의 극성은 각 결합의 쌍극자를 벡터로 더한 결과로 정해진다. 그래서 극성 결합이 있어도 분자의 모양이 대칭이면 쌍극자가 서로 상쇄되어 무극성 분자가 된다.

\(\text{CO}_2\)는 탄소를 가운데 두고 산소 두 개가 정반대 방향에 있는 직선형이다. 두 C=O 결합은 모두 극성이지만 크기가 같고 방향이 반대라 합이 0이다. 반면 \(\text{H}_2\text{O}\)는 104.5°로 굽어 있어 두 O-H 쌍극자의 합이 산소 쪽을 향해 남는다. 그림 1의 슬라이더로 결합각을 180°까지 펴 보면 합 화살표가 줄어들어 사라진다.

2.2.3예제 풀이

두 쌍극자는 크기가 같고 사이각이 104.5°이므로, 합은 두 화살표의 이등분선 방향이며 크기는 \(2 \times 1.5 \times \cos\dfrac{104.5°}{2} = 3 \times \cos 52.25°\)이다. \(\cos 52.25° \approx 0.61\)이므로 약 1.84이다.

결합각이 180°이면 \(\cos 90° = 0\)이므로 합은 0이다. 결합 하나하나의 극성은 그대로인데도 분자 전체는 무극성이 된다. 그래서 처음 질문에서 대전된 막대는 극성인 물 분자를 한 방향으로 돌려 끌어당기지만, 무극성인 사염화 탄소에는 그런 힘이 거의 생기지 않는다.

분자의 극성은 끓는점, 녹는 성질처럼 눈에 보이는 성질을 정한다. 다음 절에서는 분자의 모양을 어떻게 예측하는지 본다. 아래 탐구 카드에서 전기 음성도와 쌍극자, 물줄기 실험을 직접 다루어 보자.

1. 두 원자의 전기 음성도 차이가 아주 크면 전자가 한쪽으로 거의 완전히 넘어가 이온 결합이 된다. 대략 차이가 1.7보다 크면 이온 결합의 성질이 우세하다고 본다. 극성 공유 결합과 이온 결합 사이에는 뚜렷한 경계가 없다.