[강신종 쌤의 ‘재미있는 과학이야기’(8)] 이온·공유결합

"원소들은 이온·금속·공유 결합으로 안정하려 하죠
원소결합이 없다면 물질도, 인간도 존재하지 않죠"

이온결합은 정전기적 인력

원자들의 결합에는 이온, 공유, 금속 등의 결합이 있으며, 이들을 구별하고 설명하기 위해서는 지난 시간에 언급한 금속 원소와 비금속 원소를 구별하는 것이 매우 중요하다. 금속 원소는 전자를 잃어버리는 성향인 금속성이 강하고, 주기율표의 왼쪽 영역에 위치한다. 일반적으로 전형 원소에서 수소를 제외한 1족, 2족과 13족까지를 금속 원소로 분류하고 있고, 나머지 족들은 비금속 원소로 분류한다.

전자를 받아들이는 경향을 나타내는 비금속성이 큰 원소들을 비금속 원소라 하며, 주기율표의 오른쪽 영역에 위치한 14족부터 18쪽까지는 비금속이다.

NaCl(염화나트륨)은 금속 원자(Na)가 전자를 잃으면 비금속 원자(Cl)가 전자를 받아 결합이 형성되는데 이처럼 금속 원자와 비금속 원자가 결합해 물질이 형성되는 결합을 이온 결합이라 한다. 이온 결합의 세기는 이온 사이의 거리에 반비례해 두 이온의 전하량 곱에 비례하는 쿨롱의 법칙을 따른다. 이온 결합 물질들은 녹는점, 끓는점이 높아 대부분 상온에서 고체로 존재하며 단단하지만 힘을 가하면 부서지는 성질들을 갖고 있다.

금속 양이온들과 자유전자 사이의 정전기적 인력에 의해 금속 원자들도 결합을 형성하는데 이를 금속 결합이라 한다. 인류가 널리 사용하는 철(Fe), 구리(Cu) 등과 같은 물질은 금속결합에 의해 생성된다. 금속 결합에서 중요한 단어는 자유 전자다. 같은 주기인 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)에서 녹는점, 끓는점의 세기는 Al＞Mg＞Na의 순이다. 이는 자유전자의 수가 많을수록 금속 결합이 강해지기 때문이다.

리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)은 같은 족이며 모두 같은 수의 자유 전자를 갖게 되지만 녹는점, 끓는점은 Li＞Na＞K 순서다. 왜냐하면 자유 전자의 수가 비슷한 경우 금속 양이온들 사이의 거리가 가까울수록 금속 결합은 강해지기 때문이다. 금속 결합 물질의 성질은 자유전자에 의해 열과 전기의 전도성과 연성과 전성 등을 나타낸다. 연성(봅힘성)은 철사와 전성(퍼짐성)은 차 문짝 등 금속을 여러 모양으로 변형시켜 사용할 수 있게 한다.

질소, 산소, 물은 공유결합

질소(N2), 산소(O2), 물(H2O)의 공통점은 비금속 원소와 비금속 원소 사이에 형성된 결합으로 생성된 물질들이다. 전자를 받으려는 성향이 강한 비금속 원소들은 서로의 전자를 공동 소유하게 되면서 결합이 형성되는데 이를 공유결합이라 한다. 이온결합 물질은 분자라고 불리지 못하지만, 공유결합 물질들은 명명법 뒤에 분자라는 말을 붙여서 부른다. 따라서 NaCl은 염화나트륨이라 부르지만, 공유결합을 형성하는 H2O는 물 분자라고 부른다.

공유결합에서는 루이스전자점식을 이용해 비공유전자쌍을 찾는 것이 중요하다. 비공유전자쌍은 분자 모양을 결정하거나, 분자 간 인력을 설명할 때 사용되는 개념인 극성분자와 무극성분자를 구별하는데 매우 중요한 단서가 된다.

원자들이 결합을 형성하는 목적은 안정이다. 원자들은 이온, 공유, 금속 결합 등의 방법으로 좀 더 안정적인 물질로 가려는 것이다. 만약에 100여 종의 원소들이 존재하지만 서로 결합하지 않았다면 우리 인간도 존재하지 못했을 것이다. 당연히 우리가 보고 만지는 물질과 물체도 존재하지 못했을 것이다. 따라서 결합을 이해하는 것은 우리가 존재하는 이유를 이해하는 것이다. 학기 초 여러분들도 옆에 있는 친구들과 밝고 행복한 결합을 형성하기를 바란다.

강신종 < 용화여고 교사 >