공유결합에 관하여

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유효핵전하와 원자반지름, 그리고 이온화 에너지 공부하기

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공유결합의 정의

공유결합은 두 원자가 서로 가장 안정된 상태가 되었을때 서로 전자를 공유하게 된 상태에서의 결합을 말한다.

가령, 산소와 두 수소 원자의 결합은 원자가 전자의 개수(최외각 전자 껍질에의 전자 개수)가 옥텟규칙(원자가 전자수가 8이 되는 것이 안정한 상태)을 만족한 상태인데, 다른 결합 또한 옥텟규칙을 만족하기 위해 어느 정도의 전자를 공유한다 볼 수 있다.

산소의 원자가 전자 수는 6이고, 수소는 각각 1이다. 곧, 두 수소가 산소에 붙어 1개의 전자를 공유(share)한다면 각각의 수소는 2개의 전자를 가진 것과 다름 없고, 산소는 각각의 수소로 부터 1개씩 전자를 얻은 것임으로 원자가 전자수가 8이 되어 옥텟규칙을 만족하게 된다. 수소의 원자가 전자수가 2가 된 것은 듀엣규칙(18족 헬륨과 동일한 전자배치)을 만족하기 때문이다. 최선의 상태를 위해 전자는 공유된다.

전자쌍에 관하여 - 극성

공유결합시 생성되는 전자쌍을 무시할 수는 없다. 이것 또한 전자이고, 전하를 가진다. 곧 전기력을 받을 수 있다는 이야기다. 양전하량은 원자 번호가 커질수록 커진다. 전자는 음전하이기 때문에 서로 인력이 작용한다. 이 전자쌍을, 어느 한 쪽의 원자가 끌어당긴다는 말이다. 이렇게 어느 원자가 전자쌍을 끌어들이는 상태에 처한 결합을 극성 공유 결합이라고 한다. 반대로, 서로 전하량이 같은 원자핵을 가진 원자들의 결합은 전자쌍을 가져갈 힘도 똑같아서, 무극성 공유 결합이라고 한다.

여기서 한가지 의문은 '극성' 이라는 것은 무엇일까 이다. 극성은 양전하와 음전하 처럼 서로 반대되는 성질을 의미한다. 그렇다면 위 두 개의 공유 결합에서, 극성은 대체 어디 있었단 말인가? 무극성 공유 결합에서는 극성이 없으니 극성 공유 결합으로 가 보자.

전자쌍이 어느 전자껍질에 더 큰 유효핵전하를 받게하는 쪽으로 인력으로 인한 이동을 하게 된다. 그럼, 그쪽으로 쏠렸으니 전자수가 기존의 전기적 중성인 상태에서의 수 보다 더 많아질 것이 아닌가? 따라서 음전하가 띄게 된다. 전자는 음전하를 띈다.

그러나 모든 부분에서 음전하가 띄는 것은 아니다. 전자쌍이 있는 그 부분에서 음전할가 띈다. 따라서 부분적이라는 말이 꼭 붙는다.

반대로 양전하가 띄는 부분도 있을 것 이다. 결합한 상대 원자보다 더 작은 유효핵전하를 받게하는 원자는 부분적으로 양전하가 띄겠다.

전기음성도

위에서 '유효핵전하를 받게하는 ... ' 라는 말은 전기음성도다. 원자 반지름의 경우는 유효핵전하와, 가림효과가 복합적(complex)으로 얽혀 보이는 결과다. 전기 음성도 또한 이것을 따른다고 볼 수 있다.

전기음성도란 전자쌍을 끌어들이는 힘이다. 인력이 작용해야 끌어당기니, 양전하, 곧 원자핵의 힘이다. 원자핵의 힘 뿐만이 아니라 전자껍질간 작용하게 되는 가림효과가 복합적으로 작용하여 전자쌍을 끌어당기는 힘이 보인다.

원자반지름도 위 메커니즘과 동일하게 작동하여, 원자반지름이 작다면 전기음성도가 크다는 이야기가 될 수 있다.(원자반지름의 작음은 유효핵전하의 증가다)

두 원자가 극성공유결합을 하였을때, 이 말을 전기음성도로 풀어서 그 이후를 설명하자면 아래 문장과 같다.

전기음성도가 더 큰 원자 쪽으로 전자쌍이 치우쳐 그 쪽의 원자의 어느 한 부분이 음전하를 띄게 될 것이고, 반대로 상대적으로 전기음성도가 낮은 원자는 그 부분에서 양전하를 띄게된다.

쌍극자와 쌍극자 모멘트

쌍극자는 위에서 언급한 부분적으로 어느 전하를 띄게된, 어느 하나가 양전하가 되면, 나머지 연관된 원자 또한 음전하가 될 수 밖에 없는 이 공유결합 상태에서의 부분적인 전하들을 쌍극자라고 한다. 원자를 쌍극자라하지 않는다. 극성공유결합시 원자간 충족 이유에서 생긴 음전하와 양전하를 쌍극자라고 부른다.

쌍극자 모멘트는 쌍극자로 인한 결합의, 곧 분자의 극성 정도를 나타내는 물리량이다. 극성이 강하다는 말은 공유결합으로 결합된 두 원자 사이가 정말, 극성의 인력으로 인해 단단히 결합되었다는 뜻이다.

극단적 예로, 아예 전자쌍이 다른 한개의 이온으로 들어가 버린 이온결합이 매우 단단한 결합임을 들 수 있다. 이온 결합은 한개의 전기음성도가 압도적으로 커서 생긴다.

쌍극자 사이 거리와 전하를 곱한다. 전하량이 2-, +1, +1 이면 2다. 전하사이 거리지만, 부분적 전하이므로 공유결합길이와는 다르다.

표기법

양전하에서 음전하로의 화살표로 표기한다.