| 화학 결합의 종류와 물질의 특성 |
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 백도원 | 천안성정중학교 3학년 |
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보통 중학교 과정에서, 끓는점, 어는점, 밀도, 용해도 등의 물질의 특성에 대해 학습한다. 각각의 특성에 대해 자세하게 학습하면서, '암모니아 등의 기체는 물에 잘 녹는다'는 등의 내용을 학습하기도 한다. 하지만, 이런 내용에 대한 이유는 학습하지 않는다. 이런 내용에 대해 이해하기 위해서는, 화학 결합의 종류를 알고, 물질을 이루는 입자들 간에 작용하는 힘들의 종류에 대해 알아야 한다. 이 글에서는, 화학 결합의 종류에 대해 설명하고, 이를 바탕으로 하여 분자의 모양, 분자 내에서 작용하는 힘, 분자의 극성 등을 설명함으로써, 물질의 특성을, 좀 더 구체적으로 설명해 보겠다.
먼저, 화학 결합에는, 금속 결합, 이온 결합, 공유 결합이 있다. 금속 결합은, 금속 원소들 사이에서 결합이 형성된 것으로, 연성과 전성이 크고, 녹는점/끓는점이 높으며, 열과 전기 전도성이 높다. 이런 금속 결합 물질의 특징들은, 대부분 금속 원자 내부에 존재하는 자유 전자 때문에 나타난다. 이온 결합은, 금속 양이온과 비금속 음이온이 정전기적 인력에 의해 결합한 것으로, 고체에서는 전기가 통하지 않고, 액체나 수용액에서는 전기가 통한다. 공유 결합은, 두 비금속 원자가 전자를 공유함으로써 결합을 형성한 것이다. 전자를 공유할 때에는, 일반적으로 팔전자 규칙(옥텟 규칙)을 따른다. 공유 결합을 표시하는 방법에는, 루이스 전자점식이 있는데, 루이스 전자점식은 전자들을 점으로 표현하여, 원자들 간의 결합 상태를 표시한 그림이다. 루이스 전자점식은, 정해져 있는 순서에 따라 그리면, 쉽게 그릴 수 있으며, 루이스 전자점식을 통해 분자의 모양/극성 여부 등을 쉽게 예측할 수 있다. 하지만, 산소 분자의 상자기성 등의 일부 물질의 성질들은, 루이스 전자점식을 이용해서는 설명할 수 없으며, 분자 오비탈 개념을 이용해야 한다.
루이스 전자점식을 모두 그렸으면, 루이스 전자점식을 바탕으로, 분자 모양을 예측할 수 있다. 일반적으로, 분자 모양을 예측할 때에는 전자쌍 반발 원리를 따르는데, 이는 전자쌍들이 반발을 최소화할 수 있는 형태로, 분자의 모양이 결정된다는 것이다. 이 때, SN값을 정의하는데, SN값은 중심 원자 주위에 존재하는 전자쌍의 수이다. 메테인, 암모니아, 물의 경우 SN값이 4이며, 이산화탄소의 경우 SN값이 2이다. SN 값에 따라 기본적인 분자 모양이 이미 정리되어 있으며, 비공유 전자쌍이 존재하는 부분들은, 분자로 보지 않기 때문에, 이로 인해 SN값이 같아도, 분자 모양은 다른 경우가 있다.
루이스 전자점식을 이용해, 분자의 모양을 예측했다면, 이제 이를 이용해, 분자의 극성 여부를 예측할 수 있다. 분자의 극성을 정확히 알기 위해서는, 쌍극자 모멘트 값을 계산해 보아야 한다. 하지만, 분자의 모양을 통해서 간단히 분자의 극성을 예측해 볼 수 있다. 분자 모양이 대칭 구조이면, 대부분 무극성 분자이며, 분자 모양이 비대칭 구조이면, 대부분 극성 분자이다.
이제, 위에서의 개념들을 바탕으로, 분자간에 작용하는 힘에 대해 알 수 있다. 기본적으로, 이온결합력이나 금속결합력은 공유결합력에 비해 매우 강한 힘이다. 지금은, 공유결합력에 대해 알아보는 것이며, 공유 결합을 하여 분자를 형성할 때, 분자 간에 작용하는 힘들의 종류에 대해 알아보는 것이다. 분자간 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘, 분산력, 수소 결합이 있다. 이 중에서는, 수소 결합이 가장 강한 힘이다.모든 분자에는 분산력이 작용하며, 쌍극자-쌍극자 힘은 극성 분자에만, 수소 결합은 수소 원자에 전기 음성도가 큰 원소인 F,O,N이 결합되어 있으며, 이들 원자에 비공유 전자쌍이 있는 분자에만 작용하는 힘이다.
이제, 앞에서 언급한 내용들을 바탕으로, 몇 가지 물질의 특성에 대해, 좀 더 자세히 설명해 보겠다. 먼저, 이 글의 처음에서 논의한, '암모니아 등의 기체는 물에 잘 녹는다'는 내용에 대해 설명해 보겠다. 물은 대표적인 극성 분자이며, 물 또한 대표적인 극성 분자이므로, 암모니아 등의 기체는 물에 잘 녹는 것이다. 일반적으로, 극성 물질은 극성 물질에 잘 녹으며, 무극성 물질은 무극성 물질에 잘 녹는다. 또한, 분자간 힘의 개념을 바탕으로, 여러 물질들의 끓는점을 비교할 수도 있다. 예를 들어, 물과 메테인의 끓는점을 비교해 보겠다. 먼저, 물과 메테인은 모두 무극성 분자이다. 또한, 물과 메테인은 분자량이 거의 비슷하므로, 작용하는 분산력의 크기는 거의 비슷하다. 그러나, 물은 쌍극자-쌍극자 힘, 수소 결합력이 작용하는 분자이다. 즉, 물이 메테인보다 분자간 힘이 더 세고, 물이 메테인보다 끓는점이 높다는 결론에 도달하게 된다.
지금까지, 화학 결합의 종류, 분자의 모양, 분자의 극성, 분자간 힘 등의 개념을 바탕으로 물질의 특성에 대해 좀 더 자세히 설명해 보았다. 앞에서 설명한 것처럼, 어떤 과학 개념을 다른 과학 개념으로 설명해 보려는 노력을 통해, 과학 개념들을 연결하면서, 과학 학습을 한다면, 과학에 대한 이해도가 더 높아질 것이다. |
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