화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

결합 차수와 결합 길이

공유 결합에서 두 원자 사이를 연결하는 전자쌍의 수. 결합 차수가 클수록 결합 길이는 짧고 결합 에너지는 크다(단결합 < 이중결합 < 삼중결합).

두 원자 사이를 이어 주는 결합 전자쌍의 수로, 결합 차수가 클수록 결합 길이는 짧아지고 결합 에너지는 커집니다.

두 기둥을 밧줄로 묶는다고 생각해 보세요. 한 가닥보다 두 가닥, 두 가닥보다 세 가닥이 더 팽팽하게 당겨져 기둥 사이가 좁아지고 끊기도 어려워집니다. 밧줄 가닥 수가 결합 차수입니다.

쉽게 말하면

공유 결합에서 두 원자 사이에 놓인 전자쌍이 몇 개인지를 결합 차수라 합니다. 단일 결합은 1, 이중 결합은 2, 삼중 결합은 3입니다. 결합·반결합 오비탈의 언어로 쓰면 (결합 오비탈 전자 수 − 반결합 오비탈 전자 수)를 2로 나눈 값이고, 이렇게 계산하면 1.5 같은 소수도 나올 수 있습니다.

결합 차수가 커지면 두 핵 사이에 전자가 더 많이 몰립니다. 전자는 양쪽 핵을 동시에 끌어당기므로, 전자가 많을수록 두 핵이 더 가깝게 당겨집니다. 그래서 결합 길이가 짧아집니다. 동시에 그 결합을 끊으려면 더 많은 전자쌍을 떼어내야 하므로 결합 에너지도 커집니다. 이 세 가지 — 차수, 길이, 에너지 — 는 항상 함께 움직입니다.

$결합 차수 ↑ \Rightarrow 결합 길이 ↓, 결합 에너지 ↑$

탄소-탄소 결합이 교과서적인 예입니다. $C - C > C = C > C \equiv C$ 순으로 길이가 짧아지고, 에너지는 반대 순서로 커집니다.

다만 결합이 강하다는 것과 반응하지 않는다는 것은 다른 이야기입니다. 이중 결합은 단일 결합보다 결합 에너지가 크지만, 그 안에 들어 있는 $π$ 결합은 옆으로만 겹쳐 있어 상대적으로 약하고 노출되어 있습니다. 그래서 알켄은 알케인보다 오히려 반응을 잘 합니다. 전체 결합이 세다는 것과 그중 한 가닥이 공격받기 쉽다는 것은 별개입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

탄소-탄소 결합 삼형제

$C - C (차수 1) > C = C (차수 2) > C \equiv C (차수 3) (결합 길이 순)$

에테인, 에텐, 에타인의 탄소-탄소 결합입니다. 차수가 올라갈수록 길이가 짧아지고 결합 에너지는 커집니다. 결합 길이만 재도 어떤 결합인지 알 수 있다는 뜻이며, 실제로 분광학에서 이 방법으로 구조를 밝힙니다.
예시 2

벤젠의 결합 차수는 1.5

벤젠의 탄소-탄소 결합은 여섯 개가 모두 같은 길이이고, 그 값이 단일 결합보다 짧고 이중 결합보다 깁니다. 전자가 고리 전체에 퍼져 있어 결합 차수가 1과 2 사이인 약 1.5가 되기 때문입니다. 공명 구조가 결합 길이라는 관측값으로 확인되는 대목입니다.
예시 3

$N_{2}$ 가 매우 안정한 이유

질소 분자의 결합 차수는 3입니다. 삼중 결합은 매우 짧고 결합 에너지가 커서 끊기가 몹시 어렵습니다. 공기의 약 78%가 질소인데도 우리가 그것을 그냥 마시고 내쉴 수 있는 것, 질소를 비료로 만드는 일이 산업적으로 그토록 어려운 것 모두 이 결합 차수 3 때문입니다.

자주 하는 오해

이중 결합의 에너지가 단일 결합의 정확히 2배라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C = C

는 결합이 두 개니

C - C

결합 에너지의 정확히 2배다

실제로는이중 결합의 에너지는 단일 결합의 2배보다 작습니다.

이중 결합은 똑같은 결합 두 개가 아니라

σ

결합 하나와

π

결합 하나로 되어 있습니다.

σ

는 두 오비탈이 정면으로 겹쳐 튼튼하지만,

π

는 옆으로 나란히 스치듯 겹쳐서 훨씬 약합니다. 그래서 두 번째 가닥은 첫 번째만큼 기여하지 못합니다. 결합 차수가 2배라고 세기까지 2배가 되지는 않습니다.

결합 에너지가 크면 반응성이 낮다고 단정하기

이렇게 생각하기 쉬움

C = C

는

C - C

보다 결합 에너지가 크니 반응도 더 안 할 것이다

실제로는알켄(

C = C

)이 알케인(

C - C

)보다 훨씬 반응성이 큽니다.

결합 에너지는 결합을 '완전히 끊는' 비용이지만, 실제 반응은 결합 전체를 끊는 것이 아니라 약한

π

결합 하나만 열고 새 원자를 붙이는 식으로 일어납니다(첨가 반응).

π

결합의 전자는 분자 바깥으로 노출되어 있어 공격받기 쉽습니다. '전체 결합이 세다'와 '공격당하기 쉽다'는 다른 질문에 대한 답입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

결합·반결합 오비탈고2 공유 결합고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1결합 차수가 소수인 경우는 어떻게 이해하나요?

전자가 두 원자 사이에만 갇혀 있지 않고 여러 원자에 걸쳐 퍼져 있다는 뜻입니다. 벤젠의 1.5, 오존의 1.5, 탄산 이온의 약 1.33이 그런 예입니다. 분자 오비탈 이론에서 반결합 전자를 빼면 자연스럽게 소수가 나오기도 합니다.

Q2결합 길이는 어떻게 재나요?

X선 회절이나 분광학으로 잽니다. 원자가 규칙적으로 놓인 결정에 X선을 쏘면 회절 무늬가 생기고, 그 무늬를 해석하면 원자 사이 거리를 알 수 있습니다. 벤젠의 여섯 결합이 모두 같다는 것도 이렇게 확인한 사실입니다.

Q3결합 차수와 결합의 극성은 무슨 관계인가요?

직접적인 관계는 없습니다. 결합 차수는 '전자쌍이 몇 개인가', 극성은 '그 전자쌍이 어느 쪽으로 치우쳤는가'입니다.

N_{2}

는 결합 차수 3이지만 같은 원자끼리라 완전한 무극성이고,

HF

는 결합 차수 1이지만 매우 극성입니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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이중 결합 안의 두 가닥이 왜 서로 다른 성격을 갖는지는 σ결합과 π결합에서 확인하세요.

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