공기 속에는 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소와 같은 물질들이 함유되어 있죠. 질소와 산소는 각각 2개의 원자가 결합하여 질소 분자(N2)와 산소 분자(O2)를 만들고, 탄소 원자 1개와 산소 원자 2개가 결합하여 이산화탄소 분자(CO2)를 만듭니다. 그러나 아르곤(Ar)은 원자들이 서로 결합하지 않고 아르곤 원자 1개로 존재하게 되죠. 탄소, 질소, 산소와 같은 원자들이 다른 원자와 결합하여 분자를 이루는 것과는 달리, 아르곤은 원자 1개로 존재하는 까닭은 무엇일까요? 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 18족 원소들은 다른 원소와 결합하지 않고, 1개의 원자로 존재합니다. 물론 극히 희귀한 예외는 있습니다마는. 원소의 원자 모형에서 가장 바깥 전자 껍질에 있는 전자들을 살펴보면 헬륨은 2개이고, 네온과 아르곤은 각각 8개입니다. 원자는 화학 결합을 통하여 가장 바깥 전자 껍질에 있는 전자들의 수가 18족 원소와 같아지려는 성향이 있습니다. 그래서 18족 원소들은 다른 원소들과는 잘 결합하지 않으며, 원자가 전자 수가 0이 되죠. 물질들은 원자들의 결합으로 만들어집니다. 아이스크림 가게에서 쉽게 볼 수 있는 드라이아이스는 탄소와 산소가 결합하여 만들어진 이산화 탄소의 고체 상태이며, 또 단백질은 탄소, 수소, 산소, 질소 등이 서로 결합하여 만들어집니다. 이렇게 수많은 물질이 존재하는 것은 원자들이 바깥 전자 껍질에 있는 전자 수가 18족 원소와 같아지려는 성질 때문입니다.
화합물(compound, chemical compound)은 두 종류 이상의 원자들이 화학적으로 결합하여 만들어진 물질입니다. 동일한 원자들이 결합하여 얻어지는 물질은 화합물이 아닌 단원소 물질 등으로 부르죠. 이러한 화합물의 특성은 세 가지가 있는데; 첫째, 원소들이 일정한 비율로 존재하고, 둘째, 단일 원소의 성질은 잃고 집합에 의한 새로운 성질을 가지며, 셋째, 물리적인 방식으로는 분리가 불가능하며 화학적 반응을 통해 분리할 수 있다는 점입니다. 이러한 화합물들은 몇 가지 가능한 상(phase, 일정한 성질을 가지는 균일한 물질계로 고체, 액체, 기체가 대표적이며 플라즈마, 액정 등도 해당됨)을 가질 수 있으며, 이는 상태도(phase diagram)를 통하여 해석할 수 있습니다.
화합물을 구성하는 원자들 간에 작용하는 힘은 근본적으로 쿨롱의 법칙에 따른 정전력(electrostatic force)에서 시작이 됩니다. 즉, 원자는 양전기를 띈 원자핵과 음전기를 띈 전자로 구성되어 있으며, 두 개 이상의 원자들이 서로 접근할 경우, 각 원자들의 원자핵과 전자들에 의한 인력과 척력이 함께 작용하여 상호 간에 힘의 균형을 통해 일정한 거리를 유지하면서 결합을 이루게 되죠. 이를 화학적으로 이루어진 결합, 즉 '화학적 결합'이라고 합니다. 그리고 인력과 척력이 같아지면서 안정된 거리가 유지되는 상태를 평형 상태(equilibrium state)라 하며, 원자간 거리를 결합 길이라 하죠. 물론 이 때의 결합 에너지는 최소가 됩니다.
일례로 반대 극성을 갖는 두 개의 원자가 자유 공간에 존재하고 서로 영향력을 행사할 수 있는 범위 내에 들어온다면, 먼저 둘은 상호 간의 인력에 의해 가까워지죠. 다만, 무한정 가까워질 수는 없고, 전자 구름들 간의 척력, 그리고 원자핵 간의 척력이 인력을 상쇄하는 지점, 즉 인력과 척력이 같아지는 지점에서 자리를 잡게 됩니다. 즉, 평형 상태에 이르게 되죠. 이 때 인력과 척력을 원자간 거리, r에 대하여 그리고, 두 힘의 차인 알짜힘이 0이 되는 지점에서의 r값이 평형 상태에서의 결합 길이(거리)가 됩니다. 다음으로 에너지(일)은 힘과 거리의 곱이므로, 힘을 원자간 거리에 대해 적분을 하면 에너지의 함수를 그릴 수 있죠. 두 원자가 무한대로 떨어져 서로 힘을 발휘할 수 없는 상태, 즉 에너지가 0인 거리를 기준으로 하여 두 원자의 결합 거리까지 적분을 하면 원자간 거리 r과 결합 에너지의 관계가 얻어지고, 예상대로 평형 거리에서 에너지는 최소값을 가지게 됩니다. 이러한 에너지 값은 실제로 평형 상태에서 두 원자를 무한대까지 완전히 분리시키는데 필요한 에너지로 결합 에너지(bond energy)로 정의합니다.
이와 같은 결합 에너지 곡선을 달라지며, 물질에 관해 다양한 정보들을 담고 있죠. 예를 들어, 결합 에너지가 클수록 원자들을 서로 떼어내는데 큰 힘이 들어가야 하므로 물질의 녹는점은 당연히 높고, 결합 에너지 주위에서의 곡률은 탄성 계수와 관계가 있습니다. 에너지가 크게 인가되어도 원자간 거리의 변화가 작다는 점은 높은 탄성 계수를 의미하죠. 이에 더하여 결합 에너지 곡선의 대칭성은 열팽창 계수와도 관계가 있습니다.
이러한 화학적 결합은 크게 세 가지 유형으로 구분이 되나 실제 화학 결합에서는 둘 이상의 결합 유형이 복합적으로 작용하는 경우가 빈번합니다. 먼저, 이온 결합은 한 원자에서 다른 원자로 전자가 이동하면서 양이온과 음이온이 생성되고, 이들 이온 간에 작용하는 정전기적 힘에 의한 결합이며, 공유 결합은 두개 혹은 그 이상의 원자들 간에 서로 공유되는 전자들로써 이루어지는 결합입니다. 그리고, 금속 결합은 금속에서 나타나는 결합으로 각각의 금속 원자들에서 제공되는 자유 전자들이 금속 이온들 사이를 떠돌며 자유 전자들과 금속 이온들 간의 인력으로 형성되는 결합입니다.
화학적 결합(화학 결합)에는 대표적으로 이온 결합, 공유 결합, 그리고 금속 결합이 있습니다. 이들은 결합 에너지가 '1 eV/원자' 이상으로 '강한 결합(strong bond)'라 불리고 있죠. 이와 함께 결합 에너지가 '0.1 eV/원자' 이하인 '약한 결합(weak bonding)'도 존재합니다. 분자 간 결합, 반 데르 발스 결합, 수소 결합 등으로 불리고 있는. 이에 관하여는 계속 설명을 이어갑니다.
이러한 결합들로 이루어진 물질들 각각은 결합 방식으로 인한 고유의 성질을 가지고 있습니다. 예를 들어 이온 결합은 이온성 고체(ionic solid)를 형성하며, 주로 금속과 비금속 간의 결합으로 이루어지죠. 일반적인 환경에서는 단결정 고체로 존재하며, 주로 단단하며 파괴 과정에서 휘어지기보다는 부서지는 쪽입니다. 녹는점은 비교적 높으며, 대부분 물에 녹아 전해질을 만듭니다. 전기 전도도의 경우, 고체 상태에서는 절연체, 용액으로는 도체 성질을 갖죠. 공유 결합의 경우, 이온 결합과 비교해볼 때 비금속들 간의 결합이라는 점, 상온, 상압의 환경에서 고체와 액체, 그리고 기체로 존재한다는 점, 단단한 물질도 있지만, 쉽게 부서지는 물질도 있으며, 녹는점은 상대적으로 낮고, 물에 대한 용해도는 각양각색이며 대체로 절연체라는 점 등의 차이가 있죠.
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화학 결합 이야기
화학결합의 원리는 150억 년 우주의 역사를 통해 지켜져 내려온 자연의 기본적인 원리다. "이 원리는 서로 가까이 다가설 수 없던 "원자핵"들이 서로 손을 잡게된 이유와 물질 세계에 놀라운 다양
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