化學화학 結合결합과 物質물질의 性質성질

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■ 10統통科과1-02-04: 人類인류의 生存생존에 必須的필수적인 물, 酸素산소, 소금 等등이 만들어지는 結合결합의 差異차이를 理解이해하고 各각 物質물질의 性質성질과 關聯관련지어 說明설명할 수 있다.

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結合결합의 種類종류와 物質물질의 性質성질

물과 소금은 둘 다 우리 몸에 없어서는 안 되는 物質물질이지만 性質성질은 전혀 다릅니다. 물은 0 ℃에서 얼고 100 ℃에서 끓지만, 소금은 801 ℃가 되어야 녹습니다. 소금은 물에 녹으면 電流전류가 흐르지만, 純粹순수한 물은 電流전류가 거의 흐르지 않습니다. 空氣공기 中중의 酸素산소는 零下영하 183 ℃까지 식혀야 液體액체가 됩니다. 이런 差異차이는 物質물질을 이루는 粒子입자들이 어떤 方式방식으로 結合결합하고 있는지에서 비롯됩니다.

原子원자들이 結合결합하는 理由이유, 곧 非活性비활성 氣體기체와 같은 安定안정한 電子전자 配置배치를 이루려는 傾向경향과 이온 結合결합·共有공유 結合결합의 基本기본 槪念개념은 「元素의 週期性」에서 다루었습니다. 여기서는 그 結合결합의 差異차이가 物質물질의 性質성질을 어떻게 決定결정하는지를 소금, 물, 酸素산소를 中心중심으로 살펴봅니다.

소금과 이온 結合결합

이온 結晶결정

소금의 主成分주성분인 鹽化염화나트륨은 나트륨 이온($Na^+$)과 鹽化염화 이온($Cl^-$)이 靜電氣的정전기적 引力인력으로 結合결합한 物質물질입니다. 그런데 鹽化염화나트륨에는 $Na^+$ 하나와 $Cl^-$ 하나가 짝을 이룬 '分子분자'가 따로 있지 않습니다. 하나의 $Na^+$은 앞뒤·위아래·양옆의 $Cl^-$ 6個개에 둘러싸이고, 하나의 $Cl^-$도 $Na^+$ 6個개에 둘러싸여, 두 이온이 3次元차원으로 번갈아 끝없이 이어진 規則的규칙적인 構造구조를 이룹니다. 이처럼 이온들이 規則的규칙적으로 配列배열된 固體고체를 이온 結晶결정이라 합니다. 소금 알갱이를 돋보기로 보면 正六面體정육면체 模樣모양인 것도 이 內部내부 構造구조가 겉으로 드러난 것입니다.

分子분자가 없으므로 이온 結合결합 物質물질의 化學式화학식은 이온의 個數개수 比비를 가장 簡單간단한 整數比정수비로 나타냅니다. NaCl은 $Na^+$과 $Cl^-$이 1:1로, $CaCl_2$는 $Ca^{2+}$과 $Cl^-$이 1:2로 들어 있다는 뜻입니다. 이온의 電荷전하 合합이 0이 되도록 比率비율이 定정해지는 것입니다.

이온 結合결합 物質물질의 性質성질

이온 結晶결정에서는 모든 이온이 周圍주위의 反對반대 電荷전하 이온과 强강하게 끌어당기고 있습니다. 이 構造구조로부터 이온 結合결합 物質물질의 性質성질이 차례로 說明설명됩니다.

첫째, 녹는점과 끓는점이 높습니다. 固體고체를 液體액체로 만들려면 이온들을 제자리에서 떼어 움직이게 해야 하는데, 그러려면 强강한 靜電氣的정전기적 引力인력을 이겨야 하기 때문입니다. 鹽化염화나트륨의 녹는점은 801 ℃입니다. 이온의 電荷전하가 클수록, 이온이 작아 서로 가까울수록 引力인력이 强강하므로 녹는점이 더 높아집니다. 電荷전하가 +2와 -2인 마그네슘 이온과 酸化산화 이온으로 된 酸化산화마그네슘은 녹는점이 2,800 ℃를 넘어, 爐노의 內壁내벽 材料재료로 쓰입니다.

이 傾向경향은 쿨롱 法則법칙으로 整理정리할 수 있습니다. 두 電荷전하 사이의 靜電氣的정전기적 引力인력의 크기는 $F = k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}$로, 두 電荷전하의 곱에 比例비례하고 距離거리의 제곱에 反比例반비례합니다. 같은 나트륨 化合物화합물이라도 짝이 되는 陰음이온이 $F^-$, $Cl^-$, $Br^-$, $I^-$로 갈수록 이온이 커져 이온 사이의 距離거리가 멀어지므로, 녹는점은 NaF 993 ℃, NaCl 801 ℃, NaBr 747 ℃, NaI 661 ℃로 차례로 낮아집니다. 酸化산화마그네슘(MgO)은 두 이온의 電荷전하가 各各각각 두 倍배여서 $q_1 q_2$가 네 倍배인 데다 이온도 더 작아, 녹는점이 約약 2,850 ℃에 이릅니다. 이온 結合결합 物質물질의 녹는점을 比較비교할 때는 먼저 電荷전하의 크기를 보고, 電荷전하가 같으면 이온의 크기를 따지면 됩니다.

둘째, 단단하지만 쉽게 부서집니다. 이온 結晶결정에 힘을 가해 이온의 層층이 한 칸 밀리면, 같은 電荷전하를 띤 이온들이 마주 보게 되어 서로 밀어내므로 結晶결정이 갈라집니다. 소금 알갱이를 망치로 두드리면 납작해지지 않고 잘게 부서지는 理由이유입니다.

셋째, 固體고체 狀態상태에서는 電流전류가 흐르지 않지만, 녹이거나 물에 녹이면 電流전류가 흐릅니다. 電流전류가 흐르려면 電荷전하를 띤 粒子입자가 움직일 수 있어야 하는데, 固體고체에서는 이온이 제자리에 묶여 있고, 液體액체나 水溶液수용액에서는 이온이 自由자유롭게 움직이기 때문입니다. 鹽化염화나트륨을 녹인 液體액체에 電流전류를 흘려 나트륨과 鹽素염소를 얻는 것도 이 性質성질을 利用이용한 것입니다.

넷째, 물에 잘 녹는 것이 많습니다. 물 分子분자가 이온을 둘러싸 結晶결정에서 떼어 내기 때문인데, 그 原理원리는 아래 물의 性質성질에서 다시 보겠습니다. 다만 炭酸탄산칼슘처럼 이온 사이의 引力인력이 물 分子분자와 이온 사이의 引力인력보다 强강한 物質물질은 물에 잘 녹지 않습니다.

소금과 生命생명

소금은 人類인류의 生存생존과 文明문명에 깊이 關係관계되어 왔습니다. 우리 몸의 體液체액에는 나트륨 이온과 鹽化염화 이온이 녹아 있어, 細胞세포 안팎의 물의 量양을 調節조절하고 神經신경과 筋肉근육이 電氣전기 信號신호를 傳達전달하는 데 쓰입니다. 땀을 많이 흘리면 물과 함께 소금을 補充보충해야 하는 理由이유입니다. 소금은 또 飮食음식을 保存보존하는 가장 오래된 手段수단이었고, 그래서 많은 社會사회에서 國家국가가 소금의 生産생산과 販賣판매를 獨占독점해 財政재정을 마련했습니다. 우리나라에서는 傳統的전통적으로 바닷물이나 짠 물을 끓여 얻는 煮鹽자염을 만들었고, 바닷물을 햇볕과 바람으로 蒸發증발시켜 얻는 天日鹽천일염은 20世紀세기 初초에 導入도입되었습니다.

물과 共有공유 結合결합

共有공유 結合결합과 分子분자

非金屬비금속 元素원소끼리는 電子전자를 주고받기 어려우므로 電子전자쌍을 共有공유해 結合결합합니다. 물 分子분자에서 酸素산소 原子원자는 두 水素수소 原子원자와 각각 電子전자쌍 하나씩을 共有공유합니다. 두 原子원자가 共有공유하는 電子전자쌍을 共有공유 電子전자쌍, 結合결합에 參與참여하지 않고 한 原子원자에만 속한 電子전자쌍을 非共有비공유 電子전자쌍이라 합니다. 물 分子분자의 酸素산소 原子원자에는 共有공유 電子전자쌍 2個개와 非共有비공유 電子전자쌍 2個개가 있습니다.

共有공유 結合결합으로 原子원자들이 묶인 粒子입자가 分子분자입니다. 分子분자 안의 原子원자들은 强강하게 結合결합해 있지만, 分子분자와 分子분자 사이에 作用작용하는 힘은 그보다 훨씬 弱약합니다. 共有공유 結合결합으로 된 分子분자 物質물질의 性質성질은 主주로 이 '分子분자 사이의 弱약한 힘'이 정합니다.

分子분자 物質물질의 性質성질

分子분자 物質물질은 大體대체로 녹는점과 끓는점이 낮습니다. 물을 끓일 때 끊어지는 것은 물 分子분자 안의 O–H 共有공유 結合결합이 아니라 물 分子분자들 사이의 引力인력이기 때문입니다. 水蒸氣수증기도 여전히 $H_2O$ 分子분자이며, 물이 끓어 水素수소와 酸素산소로 나뉘지는 않습니다. 分子분자 사이의 힘은 弱약하므로 많은 分子분자 物質물질이 常溫상온에서 氣體기체나 液體액체이고, 固體고체인 설탕 같은 物質물질도 이온 結晶결정보다 훨씬 낮은 溫度온도에서 녹습니다.

分子분자 物質물질은 電荷전하를 띤 粒子입자가 없으므로 固體고체든 液體액체든 大體대체로 電流전류가 흐르지 않습니다. 설탕을 물에 녹여도 설탕 分子분자가 그대로 흩어질 뿐 이온이 생기지 않으므로 電流전류가 흐르지 않습니다. 소금물과 설탕물에 電極전극을 넣어 電球전구에 불이 들어오는지 比較비교하는 實驗실험은 이온 結合결합 物質물질과 分子분자 物質물질의 差異차이를 잘 보여 줍니다. 다만 鹽化水素염화수소($HCl$)처럼 물에 녹을 때 이온으로 나뉘는 分子분자 物質물질은 水溶液수용액에서 電流전류가 흐릅니다. 이런 物質물질이 酸산입니다.

물의 特別특별한 性質성질

물은 分子분자 物質물질이지만 크기가 비슷한 다른 分子분자에 比비해 매우 特別특별한 性質성질을 가집니다. 비슷한 크기의 黃化水素황화수소($H_2S$)는 零下영하 60 ℃ 程度정도에서 끓는데, 물은 100 ℃에서야 끓습니다. 그 理由이유는 물 分子분자의 極性극성에 있습니다.

酸素산소 原子원자는 水素수소 原子원자보다 共有공유 電子전자쌍을 自身자신 쪽으로 强강하게 끌어당깁니다. 原子원자가 共有공유 電子전자쌍을 끌어당기는 能力능력을 電氣전기 陰性度음성도라 하는데, 酸素산소는 電氣전기 陰性度음성도가 매우 큰 元素원소입니다. 그래서 물 分子분자에서 酸素산소 쪽은 若干약간의 陰음(-)電荷전하를, 水素수소 쪽은 若干약간의 陽양(+)電荷전하를 띱니다. 게다가 물 分子분자는 直線직선이 아니라 約약 104.5°로 굽은 模樣모양이어서 두 O–H 結合결합의 電荷전하 치우침이 相殺상쇄되지 않고, 分子분자 全體전체에 陰電荷음전하를 띤 쪽과 陽電荷양전하를 띤 쪽이 생깁니다. 이런 分子분자를 極性극성 分子분자라 합니다.

한 물 分子분자의 水素수소는 이웃한 물 分子분자의 酸素산소에 있는 非共有비공유 電子전자쌍에 强강하게 끌립니다. 이 分子분자 사이의 引力인력을 水素수소 結合결합이라 합니다. 이름은 '結合결합'이지만 共有공유 結合결합보다는 훨씬 弱약하고, 一般的일반적인 分子분자 사이의 힘보다는 강합니다. 물 分子분자들이 水素수소 結合결합으로 서로 붙잡고 있기 때문에, 이를 떼어 내는 데 많은 에너지가 들어 끓는점이 높습니다.

같은 16族족 元素원소의 水素수소 化合物화합물과 比較비교하면 물이 얼마나 特別특별한지 分明분명해집니다. 끓는점은 $H_2S$ 零下영하 60 ℃, $H_2Se$ 零下영하 41 ℃, $H_2Te$ 零下영하 2 ℃로, 分子분자가 클수록 分子분자 사이의 힘이 커져 차례로 높아집니다. 이 傾向경향대로라면 가장 작은 $H_2O$는 이들보다도 낮은 溫度온도에서 끓어야 하는데, 實際실제로는 100 ℃에서 끓어 傾向경향에서 크게 벗어납니다. 이 差異차이가 水素수소 結合결합의 몫입니다. 15族족의 암모니아($NH_3$, 零下영하 33 ℃)와 17族족의 플루오린化화 水素수소(HF, 約약 20 ℃)도 같은 族족의 다른 水素수소 化合物화합물보다 끓는점이 높습니다. 窒素질소·酸素산소·플루오린처럼 電氣전기 陰性度음성도가 매우 크고 작은 原子원자에 水素수소가 붙은 分子분자에서 水素수소 結合결합이 뚜렷하게 나타나기 때문입니다.

水素수소 結合결합은 물의 여러 特別특별한 性質성질을 낳습니다.

大部分대부분의 物質물질은 固體고체의 密度밀도가 液體액체보다 커서 固體고체가 液體액체에 가라앉습니다. 물은 反對반대여서 얼음이 물 위에 뜹니다. 얼음 속에서 물 分子분자들은 水素수소 結合결합으로 六角形육각형 模樣모양의 빈틈 많은 構造구조를 이루기 때문입니다. 겨울에 湖水호수가 위에서부터 얼고 아래쪽의 물은 4 ℃ 안팎으로 維持유지되어, 물속의 生物생물이 살아남을 수 있습니다. 물의 큰 比熱비열과 潛熱잠열이 氣候기후와 體溫체온에 미치는 影響영향은 「에너지의 吸收와 放出」에서 다루었습니다.

물이 소금을 녹이는 原理원리

소금을 물에 넣으면 물 分子분자의 陰電荷음전하를 띤 酸素산소 쪽이 $Na^+$을, 陽電荷양전하를 띤 水素수소 쪽이 $Cl^-$을 둘러쌉니다. 물 分子분자들에 둘러싸인 이온은 結晶결정에서 떨어져 나와 물속으로 흩어집니다. 이처럼 溶解용해된 粒子입자를 물 分子분자가 둘러싸는 現象현상을 水和수화라 합니다. 이온 사이의 强강한 引力인력을 물 分子분자들이 하나하나의 이온과 맺는 引力인력으로 바꾸어 이기는 것입니다. 極性극성이 없는 기름이 물에 섞이지 않는 것은, 기름 分子분자가 물 分子분자를 끌어당기지 못해 물 分子분자끼리의 水素수소 結合결합을 끊고 끼어들 수 없기 때문입니다.

酸素산소와 共有공유 結合결합

二重이중 結合결합

空氣공기의 約약 21%를 차지하는 酸素산소는 酸素산소 原子원자 두 個개가 結合결합한 二原子이원자 分子분자입니다. 酸素산소 原子원자는 原子價원자가 電子전자가 6個개이므로, 두 原子원자가 電子전자쌍 2個개를 共有공유해야 各自각자 바깥 껍질에 8個개를 채울 수 있습니다. 이처럼 電子전자쌍 2個개를 共有공유하는 結合결합을 二重이중 結合결합이라 합니다. 窒素질소 分子분자는 電子전자쌍 3個개를 共有공유하는 三重삼중 結合결합으로 묶여 있어 매우 단단하고, 그래서 大部分대부분의 生物생물이 空氣공기 中중의 窒素질소를 直接직접 쓰지 못합니다.

酸素산소 分子분자는 極性극성이 없고 分子분자 사이의 힘이 매우 弱약해서 零下영하 183 ℃에서야 液體액체가 됩니다. 같은 二原子이원자 分子분자라도 窒素질소는 零下영하 196 ℃에서 끓는데, 이 끓는점의 差異차이를 利用이용해 液體액체 空氣공기에서 酸素산소와 窒素질소를 分離분리합니다. 醫療用의료용 酸素산소와 製鐵제철에 쓰는 酸素산소가 이렇게 만들어집니다.

反應性반응성과 生命생명

酸素산소 分子분자는 常溫상온에서 比較的비교적 安定안정하지만, 다른 物質물질에서 電子전자를 빼앗는 性質성질이 强강해 燃燒연소와 呼吸호흡, 金屬금속의 腐蝕부식 같은 酸化산화 反應반응을 일으킵니다. 그 過程과정은 「酸化還元」에서 다루었습니다. 酸素산소 原子원자 세 個개로 된 오존($O_3$)은 같은 元素원소로 이루어졌지만 結合결합 方式방식이 달라 性質성질이 다른 物質물질로, 成層圈성층권에서 太陽태양의 紫外線자외선을 吸收흡수해 地表지표의 生命생명을 保護보호합니다. 같은 元素원소로 이루어졌으나 結合결합 方式방식이 달라 性質성질이 다른 物質물질을 同素體동소체라 합니다.

酸素산소 分子분자는 極性극성이 없어서 極性극성 分子분자인 물에 잘 녹지 않습니다. 空氣공기와 맞닿은 25 ℃의 물 1 L에 녹는 酸素산소는 8 mg 程度정도에 不過불과하고, 물의 溫度온도가 올라갈수록 더 줄어듭니다. 그래서 水溫수온이 높은 여름철에는 貯水池저수지나 養殖場양식장의 물속 酸素산소가 모자라 물고기가 떼죽음을 당하기도 합니다. 물에 녹는 酸素산소만으로는 몸 곳곳에 酸素산소를 넉넉히 보낼 수 없기 때문에, 우리 血液혈액은 酸素산소와 可逆的가역적으로 結合결합하는 헤모글로빈을 利用이용해 酸素산소를 運搬운반합니다. 分子분자의 極性극성이라는 結合결합의 性質성질이 生物생물의 呼吸호흡 方式방식에까지 影響영향을 미치는 것입니다.

한便편, 液體액체 酸素산소를 强강한 磁石자석의 두 極극 사이에 부으면 磁石자석에 끌려 달라붙습니다. 電子전자를 모두 짝지어 그린 二重이중 結合결합 模型모형으로는 이 現象현상을 說明설명할 수 없고, 酸素산소 分子분자에 짝을 이루지 않은 電子전자가 두 個개 있다고 보아야 합니다. 簡單간단한 結合결합 模型모형이 物質물질의 性質성질을 모두 說明설명하지는 못한다는 例예로, 이는 分子분자 軌道궤도라는 더 높은 水準수준의 結合결합 理論이론에서 다룹니다.

共有공유 結晶결정과 金屬금속

共有공유 結晶결정

共有공유 結合결합 物質물질이 모두 分子분자로 이루어진 것은 아닙니다. 다이아몬드는 炭素탄소 原子원자 하나가 이웃한 炭素탄소 原子원자 4個개와 共有공유 結合결합하고, 이것이 3次元차원으로 끝없이 이어진 巨大거대한 그물 構造구조입니다. 石英석영(二酸化硅素이산화규소)도 硅素규소와 酸素산소가 共有공유 結合결합으로 끝없이 이어져 있습니다. 이런 物質물질을 共有공유 結晶결정이라 합니다. 共有공유 結晶결정은 녹이려면 分子분자 사이의 弱약한 힘이 아니라 단단한 共有공유 結合결합 自體자체를 끊어야 하므로, 녹는점이 매우 높고 매우 단단합니다. 같은 炭素탄소로 된 다이아몬드와 黑鉛흑연이 단단함과 電氣전기 傳導性전도성에서 전혀 다른 것도 結合결합 構造구조의 差異차이 때문입니다. 黑鉛흑연은 炭素탄소 原子원자가 平面평면의 層층을 이루고 層층 사이는 弱약하게 붙어 있어 미끄러지기 쉽고, 層층 안에서 움직이는 電子전자가 있어 電流전류가 흐릅니다.

金屬금속 結合결합

金屬금속 原子원자들은 原子價원자가 電子전자를 내놓아 金屬금속 全體전체가 함께 쓰고, 이 自由자유 電子전자와 金屬금속 陽양이온 사이의 引力인력으로 結合결합합니다. 이를 金屬금속 結合결합이라 합니다. 自由자유 電子전자가 움직이므로 金屬금속은 固體고체 狀態상태에서도 電流전류와 熱열이 잘 흐르고, 힘을 가해 陽양이온의 層층이 밀려도 自由자유 電子전자가 그 사이를 메워 주므로 부서지지 않고 얇게 펴지거나 길게 늘어납니다. 이온 結晶결정이 망치에 부서지고 金屬금속은 펴지는 差異차이가 여기서 나옵니다.

結合결합에 따른 物質물질의 比較비교

이온 結合결합과 共有공유 結合결합의 사이

實際실제 物質물질에서 이온 結合결합과 共有공유 結合결합은 칼로 자르듯 나뉘지 않습니다. 두 原子원자의 電氣전기 陰性度음성도 差차가 매우 크면 한쪽이 電子전자를 거의 完全완전히 가져가 이온 結合결합에 가까워지고, 差차가 없으면 電子전자쌍을 똑같이 나누는 共有공유 結合결합이 됩니다. 그 사이에는 電子전자쌍이 한쪽으로 치우친 極性극성 共有공유 結合결합이 있으며, 물의 O–H 結合결합이 그 例예입니다. 鹽化염화나트륨처럼 金屬금속과 非金屬비금속이 만나면 電氣전기 陰性度음성도 差차가 커서 이온 結合결합을, 酸素산소 分子분자처럼 같은 原子원자끼리 만나면 差차가 0이어서 無極性무극성 共有공유 結合결합을 이룹니다. 結合결합의 極性극성과 分子분자의 模樣모양을 더 精密정밀하게 따지는 것은 化學화학 選擇선택 科目과목의 內容내용입니다.

整理정리

같은 原子원자들로 만들어진 世上세상이 이렇게 多樣다양한 것은 原子원자들이 結合결합하는 方式방식이 여러 가지이기 때문입니다. 電子전자를 주고받아 이온으로 묶인 소금은 단단하고 녹는점이 높으며 물에 녹아 電氣전기를 통하게 하고, 電子전자쌍을 치우치게 共有공유한 물은 分子분자끼리 붙잡아 地球지구를 液體액체의 바다로 덮으며, 電子전자쌍을 고르게 共有공유한 酸素산소는 가볍게 흩어져 大氣대기를 채웁니다. 物質물질의 性質성질을 理解이해하는 열쇠는 그 物質물질을 이루는 粒子입자와 粒子입자 사이의 힘에 있습니다.