화학2 : III-2. 공유 결합과 분자

1. 결합의 극성

(1) 전기 음성도

가. 전기 음성도의 정의

: 분자에서 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 능력

① 이온화 에너지와 전자 친화도가 큰 원자는 전기 음성도가 큰 것이 많다.
② 폴링의 전기 음성도
㉠ F의 전기 음성도 : 4.0 ▷ 가장 큰 값
㉡ Fr의 전기 음성도 : 0.7 ▷ 가장 작은 값

나. 전기 음성도의 경향

: 주기율표에서 오른쪽, 위로 갈수록 전기 음성도 증가

① 같은 주기 : 원자 번호가 증가할수록 전기 음성도 증가. 특히 2주기에서는 오른쪽으로 갈수록 0.5씩 증가.
② 같은 족 : 원자 번호가 증가할수록 전기 음성도 감소.

다. 전기 음성도의 활용

① 결합의 극성 결정: 전기 음성도가 큰 쪽이 전기적으로 음성(δ-), 작은 쪽이 전기적으로 양성(δ+)으로 되기 때문에 극성 분자가 됨.
② 화학 결합의 구분: 전기 음성도가 큰 비금속 원자끼리의 결합은 공유 결합이고, 전기 음성도가 작은 금속과 큰 비금속간의 결합은 이온 결합임.

(2) 결합의 극성

가. 극성 결합

: 전기 음성도가 서로 다른 원자들이 전자쌍을 공유하여 형성된 결합.

① H-F, H-Cl 등 원자의 종류가 다른 비금속원자간의 공유 결합이다.
② 전기 음성도가 큰 원자 쪽이 전기적으로 음성(δ-)이 되고, 작은 원자 쪽이 전기적으로 양성(δ+)이 된다.
③ HF 의 경우 ┌ H 의 전기 음성도=2.1 ┐ =>F 쪽으로 전자쌍이 끌림 ┌ H^δ+
└ F 의 전기 음성도=4.0 ┘ └ F ^δ-

나. 무극성 결합

: 전기 음성도가 서로 같은 원자들이 전자쌍을 공유하여 형성된 결합

① H-H, F-F, O=O, N≡N 등 원자의 종류가 같은 비금속원자간의 공유 결합이다.
② 두 원자의 전기 음성도 값이 같으므로 두 원자핵 근처에서 전하의 분포는 같다.

다. 공유 결합의 이온성

① 극성 공유 결합에서는 이온이 형성되지 않고 전자쌍이 전기 음성도가 큰 쪽으로 치우쳐 δ+, δ-의 부분 전하를 띠기 때문에 부분적인 이온성을 가진다.
② 이중극자 모멘트(쌍극자 모멘트) : 크기가 같고 부호가 다른 두 전하들이 분리되어 있을 때 전하량과 두 전하 사이의 거리를 곱한 벡터양을 말한다.

㉠ 크기 : μ = qr (q : 전하량, r : 거리)
㉡ 방향: (+) 전하 → (-) 전하
㉢ 분리된 전하가 클수록, 거리가 멀수록 크다.


③ 이중극자 모멘트가 클수록 결합의 극성, 이온성 등이 크다.

라. 전기 음성도와 결합의 이온성

① 결합을 이루고 있는 두 원자들의 전기 음성도의 차이가 클수록 결합의 이온성은 커진다.
☞ 전기 음성도의 차가 클수록 공유 전자쌍이 한 원자에 더 많이 치우쳐 분리되는 현상이 커지기 때문에
② 한 결합에서 두 원소의 전기 음성도를 각각 라고 할 때
▷ 무극성 공유 결합
▷ 극성 공유 결합
▷ 이온 결합
③ 위 그림에서 59% 이상의 이온성을 가진 물질을 이온 결합 물질이라고 한다.
㉠ 알칼리 금속과 할로겐 사이에 형성되는 결합은 모두 이온 결합
㉡ 두 원자간의 전기 음성도 차가 1.7이상이면 이온성은 50% 이상이 된다. (단, HF는 전기 음성도 차가 1.9 이지만 이온성은 43%임 =>공유결합)
④ 이온 결합 물질의 경우 100% 이온성을 가지는 것은 거의 없다.
㉠ NaCl : 이온성 75%, 공유성 25%
㉡ LiF : 이온성 90%, 공유성 10%

(3) 무극성 분자와 극성 분자의 성질

가. 극성 분자의 성질

① 전기장 안에서 반대 극성쪽으로 배열되지만 분자가 어느 한 쪽으로 끌려가지는 않는다.
① 극성 분자는 (+) 전하, 또는 (-) 전하로 대전된 막대 쪽으로 끌려간다.
② 극성 용질은 극성 용매에 더 잘 녹고, 무극성 용질은 무극성 용매에 더 잘 녹는다.

나. 무극성 분자의 성질

: 무극성 분자는 전체적으로 전자가 고르게 분포되어 있어서 자기장이나 전기장에 영향을 받지 않는다.

(4) 분자의 모양과 극성

가. 2원자 분자의 극성

① 무극성 결합이면 모두 무극성 분자이다.
(예) H₂, O₂, N₂, Cl₂, C(다이아몬드) 등
② 극성 결합이면 모두 극성 분자이다.
(예) HF, HCl, HBr, HI, CO, NO 등

나. 다원자 분자의 극성

① 분자 전체의 이중극자 모멘트의 합이 0 이면 무극성 분자이고, 0이 아니면 극성 분자이다.
② CH₄ 와 CH₃Cl
㉠ CH₄ : 4개의 극성 결합들로 구성되어 있지만 이중 극자 모멘트의 합은 0이 되어 무극성
㉡ CH₃Cl : 이중 극자 모멘트들의 합이 0이 되지 않으므로 극성

③ CO₂ : 선형 분자이며, 이중 극자 모멘트 벡터의 합이 0이므로 무극성 분자이다.

④ H₂O : 굽은 모양(V자 형), 이중 극자 모멘트의 합이 0이되지 않아 극성 분자이다.

⑤ 극성 분자와 무극성 분자의 예
㉠ 무극성 분자
┌ H₂, O₂, N₂, F₂ <= 무극성 결합
└ BF₃, CH₄, C₆H₆, CCl₄ 등 <= 극성 결합이지만 μ = 0

2. 분자의 모양

(1) 전자쌍 반발 원리

가. 전자쌍 반발 원리 - 시지윅(Sidgwick, 1940년) 제안

① 원자를 둘러 싸고 있는 전자쌍들은 정전기적 반발 때문에 가능한 멀리 떨어져 있으려는 방향으로 놓인다는 원리
② 전자쌍 사이의 반발력

나. 중심 원자가 공유 전자쌍만 가진 경우

: 분자 모양이 전자 배치와 일치한다.

다. 중심 원자가 비공유 전자쌍을 가진 경우

: 비공유 전자쌍의 반발력이 공유 전자쌍의 반발력보다 커서 비공유 전자쌍이 많을수록 결합각이 더 작아진다.

① NH₃의 분자 모양 : 중심 원자인 N은 3개의 공유 전자쌍과 1개의 비공유 전자쌍을 가지고 있으므로, 전자쌍들은 정사면체 구조, 분자 모양은 삼각뿔(혹은 삼각 피라미드) 모양

② H₂O 의 분자 모양 : 굽은 모양(V자 형)

(2) 2주기 원소 화합물의 분자 모양

가. 선형 모양인 분자

① LiH, HF 등 기체 상태에서 형성하는 2원자 분자
② BeH₂, BeCl₂ 등 => 공유 전자쌍이 2쌍, 비공유 전자쌍은 없으므로
H : Be : H Cl : Be : Cl
H - Be - H Cl - Be - Cl
(예) O=C=O, H-C≡N

나. 평면 구조를 갖는 분자

① BF₃, BCl₃ 는 공유 전자쌍 3쌍, 비공유 전자쌍은 없으므로 삼각형 구조
② H₂O 는 공유 전자쌍 2개, 비공유 전자쌍 2개. 비공유 전자쌍에 의해 공유 전자쌍이 밀려 V자 모양
(예) SO₂ , OF₂, HS₂

다. 입체 구조를 갖는 분자

① CH₄, CCl₄, CF₄ ☞ 정사면체 구조
② NH₃ , NF₃ , NCl₃ ☞ 삼각뿔 모양

[표] 제 2주기 원소 화합물의 전자쌍 수와 분자의 모양

족	1	2	13	14	15	16	17
공유 전자쌍수	1	2	3	4	3	2	1
비공유 전자쌍수	0	0	0	0	1	2	3
화합물에서 전자쌍수	1 (180˚)	2 (180˚)	3 (120˚)	4 (109.5˚)	4 (107˚)	4 (104.5˚)	4 (180˚)
분자 모양	선 형	선 형	삼각평면	정사면체	삼각뿔	굽은모양	선 형
예	LiH	BeF2, BeH2	BF3, BCl3	CH4, CCl4	NH3	H2O	HF

(1) 원자 오비탈과 분자 오비탈

가. 원자 오비탈

: 원자핵 주위에서 전자를 발견할 수 있는 확률을 나타내는 함수 또는 그 함수의 공간적 모양(종류: s , p , d , f 오비탈).

나. 분자 오비탈

: 원자 오비탈이 겹쳐 이루어진 분자의 전자구름 분포 모양(종류: 시그마(σ) 오비탈과 파이(π) 오비탈)

① 분자오비탈 생성 원리= 원자 오비탈의 선형 결합
㉠ 시그마(σ) 오비탈 : s오비탈-s오비탈, s오비탈-p오비탈, p오비탈-p오비탈 겹침
㉡ 파이(π) 오비탈 : p오비탈-p오비탈 겹침

② σ 오비탈과 π 오비탈의 특성
㉠ σ 오비탈 : 단면이 원형, 두 원자핵 사이에 집중되어 분자의 골격을 형성, 단일결합
㉡ π 오비탈 : 단면이 아령형, σ 결합에 수직으로 분포(분자의 골격에 거의 영향을 주지 않음), 이중 결합 또는 삼중결합, 반응성이 크다(첨가 반응)
예) 에틸렌 분자(C₂H₄)와 아세틸렌 분자(C₂H₂)의 루이스 구조식과 분자 오비탈:
에틸렌 분자(C₂H₄) - 시그마 결합 5개, 파이 결합 1개,
아세틸렌 분자(C₂H₂) - 시그마 결합 3개, 파이 결합 2개

(2) 혼성 오비탈과 분자의 모양

원자 오비탈들이 겹쳐져 새로운 전자 분포를 가지는 분자 오비탈을 만들 때, 이러한 오비탈들을 혼성 오비탈이라 함.

가. sp 혼성 오비탈

: s오비탈 1개와 p오비탈 1개가 혼성을 이룸(결합각 = 180°, 직선 모양)

(설명) 들뜬 상태의 1개의 탄소 원자의 전자 중 2s¹ 2p_x¹이 혼성하여 2개의 동등한 sp 혼성 오비탈을 이룬 후 수소 원자 및 인접한 탄소 원자와 각각 결합(시스마결합)하고, 각 탄소 원자에 남아있는 2p_y¹ 2p_z¹이 서로 겹쳐서 2개의 파이결합을 형성함(아세틸렌 분자내 결합: 시그마 결합 3개, 파이 결합 2개).

나. sp² 혼성 오비탈

: s오비탈 1개와 p오비탈 2개가 혼성을 이룸(결합각=120°, 평면 삼각형 모양)

(설명) 들뜬 상태의 1개의 탄소 원자의 전자 중 2s¹ 2p_x¹ 2p_y¹이 혼성하여 3개의 동등한 sp² 혼성 오비탈을 이룬 후 수소 원자 2개 및 인접한 탄소 원자와 결합(시스마결합)하고, 각 탄소 원자에 남아있는 2p_z¹이 서로 겹쳐서 1개의 파이결합을 형성함(에틸렌 분자내 결합: 시그마 결합 5개, 파이 결합 1개).

다. sp³ 혼성 오비탈: s오비탈 1개와 p오비탈 3개가 혼성을 이룸(결합각=109.5°, 정사면체 모양)

(설명) 들뜬 상태의 탄소 원자의 전자 중 2s¹ 2p_x¹ 2p_y¹ 2p_z¹이 혼성하여 4개의 동등한 sp³ 혼성 오비탈을 이룬 후 수소원자 4개와 시그마 결합함(메탄 분자내 결합: 시그마 결합만 4개).

3. 분자간 힘

(1) 분자간 힘의 종류

: 분자들 사이에 작용하는 분자간의 힘은 분자의 극성, 모양, 분자량 등에 따라 달라진다."

가. 이중극자-이중극자 인력 : 극성 분자간의 힘

① 극성 분자들 사이에 작용하는 정전기적 인력
② 분자의 이중극자 모멘트가 클수록 강하다.
③ 낮은 온도에서는 이중 극자-이중극자 인력이 작용하지만, 높은 온도에서는 분자 운동이 활발해져 배열이 깨진다.
④ 이 힘이 클수록 물질의 녹는점, 끓는점이 높다.

나. 이중극자-유발 이중극자 인력: 극성 분자와 무극성 분자간의 힘

① 편극 : 한 분자가 극성 분자에 접근할 때, 그 분자의 전자들이 극성 분자의 (+)전하가 있는 쪽으로 쏠리는 현상.
② 전자 수가 많은 분자일수록 편극이 일어나는 정도가 크다.
③ 유발 이중극자 : 편극이 일어나면 전자가 쏠린쪽은 약간의 (-)전하를, 반대 쪽은 약간의 (+)전하를 띰으로써 생긴 쌍극자.
④ 이중 극자-유발 이중 극자 인력: 유발 이중 극자와 이것을 유발시킨 이중 극자 사이에 작용하는 인력.

다. 분산력 : 무극성 분자들 사이에서도 전자 구름의 반발력 때문에 순간적으로 극성 분자처럼 쌍극자를 띠며, 이 유도 쌍극자 가까이 있는 분자에 편극 현상이 일어나 또 다른 유도 쌍극자가 생길 때 작용하는 인력, 즉 무극성 분자와 무극성 분자간의 힘

① 전자 수가 많은 분자일수록 편극이 잘 일어난다. (∴ 분자 사이의 분산력이 증가한다.)
② 분자량이 클수록 전자수가 많기 때문에 큰 분산력이 작용한다.
③ 무극성 분자: 분산력만 작용.
㉠ 분자량이 클수록 분산력이 커서 녹는점, 끓는점, 증발열이 증가한다.
㉡ 분자량이 같은 무극성 물질도 분자의 모양에 따라 끓는점, 증발열이 다르다.

(2) 분자간의 힘과 물질의 성질

가. 극성 분자와 무극성 분자

① 무극성 분자 : 분산력이 작용한다.
㉠ 분자량이 클수록 분산력이 커져 녹는점, 끓는점, 증발열이 증가한다.
㉡ 분자량이 같은 무극성 물질도 분자의 모양에 따라 끓는점, 증발열이 다르다.

② 극성 분자 : 세 가지 힘이 모두 작용하지만, 대부분의 분자에서는 분산력이 가장 중요한 역할을 한다.
㉠ 이중극자 모멘트 : HI < HBr < HCl
이중극자-이중극자 인력과 이중극자-유발 이중극자 인력도 같은 순서이다.
㉡ 분자량의 크기 : HCl < HBr < HI
㉠ 과 ㉡ 의 합에 의한 총 분자간 힘은 'HCl<HBr<HI'으로 분산력이 크게 작용함을 알 수 있고, 분산력의 크기도 같은 순으로 증가한다.

③ 극성 분자와 무극성 분자의 구별 : 정전기를 띤 에보나이트 막대나 유리 막대를 극성 분자에 가까이 하면, 극성 분자의 흐름은 전기를 띤 막대쪽으로 끌리며 무극성 분자는 끌리지 않는다. 예) 물(극성 분자)과 사염화탄소(무극성 분자)의 흐름에 대전된 에보나이트 막대를 가까이 하면, 물 분자만 끌린다.

나. 물질의 용해성
물질의 용해성은 분자간 힘으로 설명된다. 즉, 용매 분자간의 힘보다 용매와 용질 분자간의 힘이 클 때 잘 녹는다.

① 극성 용매와 무극성 용매
㉠ 극성 용매: 물(H₂O), 아세톤(CH₃COCH₃), 에탄올(C₂H₅OH) 등
㉡ 무극성 용매: 사염화탄소(CCl₄), 벤젠(C₆H₆), 헥산(C₆H₁₄) 등
② 용매의 성질과 용해
㉠ 극성 용질은 극성 용매에, 무극성 용질은 무극성 용매에 잘 녹는다.
㉡ 용해 과정이 일어나게 하는 인자: 최소 에너지와 최대 무질서도로 가려는 경향.
☆참고: 고체나 액체가 액체에 용해하는 과정은 언제나 무질서도 증가함.
③ 극성 용매-극성 용질: 용매 분자와 용질 분자 사이에 작용하는 분자간의 힘이 용질 분자들, 용매 분자들 사이의 인력과 비슷하기 때문에 용해 과정에서 에너지가 별로 변하지 않는다. 예) 에탄올이 물에 잘 녹는 현상
④ 극성 용매-무극성 용질: 용매 분자들 사이에는 이중 극자-이중 극자 인력이 작용하지만, 용매 분자와 용질 분자 사이에는 인력이 없다. =>용매 분자들끼리 뭉쳐서 용질 분자를 잘 받아들이지 못한다. 예) 사염화탄소, 벤젠 등이 물과 섞이지 않는 현상
⑤ 무극성 용매-극성 용질: 용질 분자들 사이에 이중극자-이중극자 인력이 작용하므로 용매 분자가 이들을 떼어 놓지 못한다. 예) 염이 사염화탄소나 벤젠에 녹지 않는 현상
⑥ 무극성 용매-무극성 용질: 용매 분자들 사이, 또는 용질 분자들 사이에 분산력만 작용하며, 용매 분자와 용질 분자 사이에도 같은 힘이 작용하므로 용해가 일어난다. 예) 요오드가 벤젠에 잘 녹는 현상

(3) 수소 결합

가. 수소 결합의 형성

① 수소 결합 : F, O, N과 같이 전기 음성도가 큰 원자와 공유 결합을 하고 있는 수소 원자와, 다른 분자 중의 전기 음성도가 큰 원자 사이에 작용하는 인력.

② 수소 결합의 본질 : 두 원자간의 전기 음성도 차이가 크게 나면 양전하(δ+)와 음전하(δ-) 사이에 정전기적 인력이 크게 작용하여 분자간에 수소 결합이 형성된다. 이중극자-이중극자 인력이 특별히 큰 경우가 수소 결합이다.
③ 수소 결합을 하는 물질
㉠ 전기음성도가 큰 F,O,N의 수소 화합물. (예)HF, H₂O, NH₃
㉡ ―COOH(카르복시기)를 갖는 화합물. (예)아세트산(CH₃COOH)
㉢ ―OH(히드록시기)를 갖는 화합물. (예) 에탄올(C₂H₅OH)

나. 수소 결합 화합물의 성질

① 녹는점과 끓는점이 높고 몰 증발열이 크다.

② 에탄올(C₂H₅OH)이나 아세트산(CH₃COOH) 등이 물에 잘 용해되는 것은 분자 속에 -OH를 가지고 있어 물과 수소 결합을 하기 때문이다.
③ 이합체, 다합체의 구조를 가진다.
(예) HF는 (HF)n 으로 존재한다.
④ HF, H₂O, NH₃ 등은 같은 족 수소 화합물 중에서 분자량이 가장 작지만 녹는점, 끓는점이 특히 높다.
⑤ 기화열이 크다.

다. 아세트산과 에탄올 분자의 수소 결합

① 아세트산의 이합체 : 아세트산을 벤젠에 녹이면 수소 결합에 의해 다음과 같은 이합체(dimer)가 생긴다.(아세트산의 분자량은 60이나 벤젠 용액에서는 120)

② 에탄올은 CH₃OCH₃ 와 분자량은 서로 같으나 끓는점이 높고 몰 기화열도 크다. 디메틸에테르는 물에 안 녹으나 에탄올은 물에 잘 녹는다.

라. 다른 분자들 사이의 수소 결합과 분자 내의 수소 결합

O-H, N-H 등이 있는 분자는 서로 수소 결합을 하며, 분자 내에서도 수소 결합이 형성된다.

마. 수소 결합 에너지

① 분자간의 힘은 화학 결합보다 훨씬 약하다.
② 수소 결합의 결합 에너지는 보통 2∼7 kcal/mol로 분자간의 힘보다는 크지만, 공유 결합력보다는 매우 작다(약 1/10배).

분자간 힘 : 수소 결합력 : 공유 결합력 = 1 : 10 : 100

바. 수소 결합과 물의 특성

① 같은 족 수소 화합물(H₂S, H₂Se, H₂Te)에 비해 녹는점과 끓는점이 높다.
=>물 분자만이 고체 상태와 액체 상태에서 수소 결합을 하고 있기 때문이다.
② 물이 얼음보다 밀도가 크다 (4℃일 때 밀도가 가장 크다).
㉠ 얼음에서는 수소 결합에 의해 물 분자들이 육각 모양을 이루며 빈 공간이 많은 구조가 형성된다. 얼름이 녹을 때에는 수소 결합의 일부가 끊어져서 빈 공간을 채우므로 물이 얼음보다 밀도가 크게 된다.

㉡ 4℃에서 최대의 밀도를 가지며 온도를 계속 올리면 분자 운동이 활발해져서 부피가 팽창 하므로 밀도가 작아진다.
㉢ 강이나 호수에 얼음이 떠 있는 현상은 물의 밀도가 얼음보다 크기 때문이다.

③ 물의 비열
열을 가할 때, 수소 결합이 조금씩 끊어지면서 열을 담을 수 있기 때문에 물은 많은 열을 담을 수 있다. 즉 큰 비열을 가지며 용융열과 기화열도 매우 크다.
㉠ 해안 지방에서 밤낮의 기온 차가 작다 : 바닷물이 낮에 많은 열을 흡수하여 저장하고 있다가 밤에 열을 방출 하기 때문이다.
㉡ 사막에서 밤낮의 기온 차가 심한 이유 : 모래의 비열이 작기 때문이다.