화학 고2 물질의 구조와 성질

결합의 극성

Q: 무극성 결합은 같은 원자끼리일 때만 생기나요?

엄밀하게 차이가 정확히 0이 되는 것은 같은 원자끼리(H2, O2, N2)일 때입니다. 다만 C-H처럼 전기음성도 차이가 매우 작은 결합은 실용적으로 거의 무극성으로 취급합니다. 탄화수소가 물에 녹지 않는 이유이기도 합니다.

Q: 극성 결합이 있으면 물에 잘 녹나요?

결합 하나만 보고는 알 수 없습니다. 물에 녹는지는 분자 전체가 극성인지에 달렸습니다. CCl4는 극성 결합 4개를 갖고도 무극성 분자라 물에 녹지 않습니다.

두 원자의 전기음성도 차이로 인해 전자 밀도가 한쪽에 치우쳐 쌍극자 모멘트가 발생하는 현상이다.

두 원자의 전기음성도가 달라 공유 전자쌍이 한쪽으로 치우치고, 그 결과 결합의 양 끝에 부분 전하(

δ +

δ -

)가 생기는 성질입니다.

줄다리기에서 힘이 센 쪽으로 줄의 중심이 조금 끌려간 상태입니다. 줄을 완전히 빼앗은 것은 아니지만, 중심이 어느 쪽에 있는지는 분명히 보입니다.

쉽게 말하면

전기음성도가 다른 두 원자가 결합하면 공유 전자쌍이 센 쪽으로 끌려갑니다. 전자가 몰린 쪽은 살짝 $(-)$ 를, 밀린 쪽은 살짝 $(+)$ 를 띠는데, 이 '살짝'을 그리스 문자 $δ$ 로 씁니다.

$H δ + - Cl δ -$

$δ$ 는 ' $1$ 보다 작은 어떤 값'이라는 뜻입니다. 이온 결합처럼 전자를 통째로 넘긴 것이 아니라 치우쳤을 뿐이라는 사실이 이 기호 하나에 담겨 있습니다.

결합의 극성 크기는 오직 전기음성도의 차이로 정해집니다. 차이가 0이면 무극성 공유 결합, 차이가 있으면 극성 공유 결합, 차이가 아주 크면 사실상 전자가 넘어가 이온 결합에 가까워집니다.

이렇게 생긴 $δ +$ 와 $δ -$ 의 짝은 전하와 전기장에서 다루는 전기 쌍극자와 같은 것입니다. 크기와 방향을 함께 가지므로 벡터로 다뤄야 하고, 이것이 쌍극자 모멘트입니다. 여기서 아주 중요한 갈림길이 나옵니다. 분자에 극성 결합이 여러 개 있으면 그 벡터들이 서로 상쇄될 수도 있다는 것입니다. 결합이 극성이라고 해서 분자가 극성인 것은 아닙니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$H_{2}$ · $HCl$ · $NaCl$ — 하나의 연속선

$H_{2}$ 는 전기음성도 차이가 0이라 전자쌍이 정확히 가운데 있습니다(무극성 공유 결합). $HCl$ 은 염소 쪽으로 치우칩니다(극성 공유 결합). $NaCl$ 은 차이가 너무 커서 전자가 아예 넘어갑니다(이온 결합). 서로 다른 세 종류가 아니라 치우침의 정도가 다를 뿐입니다.
예시 2

결합의 극성이 셋 다 있는데 분자는 무극성

$CC l_{4}$ 의 $C - Cl$ 결합 4개는 모두 극성입니다. 그런데 정사면체로 대칭이라 네 방향의 치우침이 완전히 상쇄되어 분자 전체로는 무극성입니다. '결합의 극성'과 '분자의 극성'을 반드시 구분해야 하는 이유입니다.
예시 3

$H - F$ vs $H - I$

같은 17족과의 결합이지만, 플루오린이 아이오딘보다 전기음성도가 훨씬 크므로 $H - F$ 의 전자쌍이 더 크게 치우칩니다. 족의 아래로 갈수록 전기음성도가 작아지므로 수소와의 결합의 극성도 약해집니다.

자주 하는 오해

전기음성도가 큰 원자가 들어 있으면 그 결합은 극성이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

F_{2}

는 전기음성도가 가장 큰 플루오린이 있으니 극성 결합이다

실제로는

F_{2}

는 무극성 결합입니다. 양쪽 다 플루오린이라 전기음성도 차이가 0이기 때문입니다.

결합의 극성을 정하는 것은 전기음성도의 크기가 아니라 두 원자 사이의 차이입니다. 아무리 세게 당기는 원자라도 똑같이 센 상대와 맞붙으면 전자쌍은 가운데 머뭅니다. 문제를 볼 때 원자 하나가 아니라 항상 두 원자의 차를 보세요.

δ +

δ -

를 이온의 전하와 같다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

HCl

은

H^{+}

와

C l^{-}

로 되어 있다

실제로는

HCl

분자 안의 수소와 염소는 부분 전하만 띠고, 전자쌍은 여전히 두 원자가 함께 갖고 있습니다.

δ

는 정수 전하가 아니라 '

1

보다 작은 얼마'라는 표시입니다. 실제로 기체

HCl

은 이온이 아닌 분자라 전기가 통하지 않습니다. 물에 녹아야 비로소

H^{+}

와

C l^{-}

로 갈라져 전기를 통합니다. 극성 결합과 이온 결합의 차이가 바로 이 '완전히 넘어갔는가'입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전기음성도고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자의 극성고2 쌍극자 모멘트고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

전하와 전기장고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1무극성 결합은 같은 원자끼리일 때만 생기나요?

엄밀하게 차이가 정확히 0이 되는 것은 같은 원자끼리(

H_{2}

O_{2}

N_{2}

)일 때입니다. 다만

C - H

처럼 전기음성도 차이가 매우 작은 결합은 실용적으로 거의 무극성으로 취급합니다. 탄화수소가 물에 녹지 않는 이유이기도 합니다.

Q2극성 결합이 있으면 물에 잘 녹나요?

결합 하나만 보고는 알 수 없습니다. 물에 녹는지는 분자 전체가 극성인지에 달렸습니다.

CC l_{4}

는 극성 결합 4개를 갖고도 무극성 분자라 물에 녹지 않습니다.

δ +

와

δ -

의 크기는 얼마인가요?

전기음성도 차이가 클수록 커지지만, 교과 수준에서는 구체적인 숫자를 다루지 않습니다. 대신 결합 길이까지 함께 반영한 쌍극자 모멘트로 크기를 나타냅니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 물질의 구조와 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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