화학 결합

나트륨은 물과 격렬하게 반응하는 금속이고, 염소는 독한 기체이다. 그런데 둘이 만나 생긴 염화 나트륨은 우리가 먹는 소금이다. 한편 산소와 수소는 물을 만든다. 원자들은 왜 혼자 있지 않고 결합하며, 결합하는 방법은 몇 가지일까?

결합 고르기

진행

2.4.1비활성 기체처럼 되려는 경향

18족의 헬륨, 네온, 아르곤은 다른 원소와 거의 반응하지 않는다. 이들은 가장 바깥 껍질이 가득 차 있다(헬륨은 2개, 나머지는 8개). 이 배치가 화학적으로 안정하기 때문이다. 다른 원소들은 전자를 잃거나 얻거나 함께 쓰면서 이 배치에 가까워지려 하고, 그 과정에서 원자끼리 결합한다. 바깥 껍질에 8개를 채우려는 이 경향을 옥텟 규칙이라 한다.¹

2.4.2이온 결합: 주고받기

나트륨(2, 8, 1)은 바깥 전자 1개를 잃으면 네온과 같은 (2, 8)이 된다. 염소(2, 8, 7)는 전자 1개를 얻으면 아르곤과 같은 (2, 8, 8)이 된다. 그래서 나트륨의 전자 하나가 염소로 옮겨 가면 둘 다 안정한 배치가 된다. 이때 전자를 잃은 나트륨은 양이온 \(\text{Na}^+\), 전자를 얻은 염소는 음이온 \(\text{Cl}^-\)이 된다.

양이온과 음이온은 전기적 인력으로 서로 끌어당긴다. 이렇게 이온 사이의 인력으로 이루어지는 결합을 이온 결합이라 한다. 금속 원소는 전자를 잃기 쉽고 비금속 원소는 전자를 얻기 쉬우므로, 이온 결합은 주로 금속과 비금속 사이에 생긴다. 그림 1의 '진행' 슬라이더를 밀면 전자가 옮겨 가는 모습을 볼 수 있다.

2.4.3공유 결합: 함께 쓰기

비금속 원자끼리는 둘 다 전자를 얻으려 하므로 한쪽이 전자를 내주지 않는다. 그 대신 서로 전자를 하나씩 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 두 원자가 함께 쓴다. 이것을 공유 결합이라 한다. 수소 원자 두 개가 전자를 하나씩 내놓아 쌍을 함께 쓰면, 각 수소는 전자 2개를 가진 헬륨과 같은 배치가 된다.

물 분자에서 산소(2, 6)는 전자 2개가 모자라므로 수소 두 개와 전자쌍을 하나씩 공유한다. 그러면 산소는 바깥 껍질 전자 8개, 각 수소는 2개가 되어 모두 안정한 배치가 된다.

2.4.4예제 풀이

마그네슘은 (2, 8, 2)이므로 바깥 전자 2개를 잃으면 네온과 같은 (2, 8)이 되어 \(\text{Mg}^{2+}\)이 된다. 산소는 (2, 6)이므로 전자 2개를 얻으면 (2, 8)이 되어 \(\text{O}^{2-}\)이 된다. 주고받는 전자 수가 2개로 같으므로 1 : 1로 결합하고, 화학식은 \(\text{MgO}\)이다.

전하로 확인하면 \((+2) + (-2) = 0\)이므로 화합물 전체는 전기적으로 중성이다. 같은 방법으로 마그네슘과 염소는 \(\text{Mg}^{2+}\) 하나에 \(\text{Cl}^-\) 둘이 있어야 중성이므로 \(\text{MgCl}_2\)가 된다.

이온 결합 물질은 고체에서는 이온이 제자리에 묶여 있어 전류가 흐르지 않지만, 녹이거나 물에 녹이면 이온이 움직일 수 있어 전류가 흐른다. 반면 설탕처럼 공유 결합으로 된 분자는 물에 녹아도 이온이 생기지 않아 전류가 거의 흐르지 않는다. 아래 탐구 카드에서 전자를 직접 옮기고 나누어 보며 두 결합을 비교해 보자.

1. 옥텟 규칙은 2, 3주기 원소에서 잘 맞는 경험 규칙이다. 수소와 헬륨은 바깥 껍질에 2개면 가득 차고, 3주기 이후 원소 가운데에는 8개보다 많은 전자를 두르는 예외도 있다.