화학 고2 물질의 구조와 성질 심화

배위 공유 결합(다티브 결합)

한 원자가 두 전자쌍을 모두 제공하여 형성하는 공유 결합. NH₄⁺ 형성(N의 고립 전자쌍→H⁺), 착화합물·루이스 산염기 반응에서 나타난다.

공유하는 전자쌍을 두 원자가 하나씩 내놓는 것이 아니라, 한 원자가 두 개를 모두 제공해서 만들어지는 공유 결합입니다.

보통 공유 결합이 '각자 하나씩 내서 함께 쓰는 물건'이라면, 배위 결합은 '한 사람이 다 사서 둘이 함께 쓰는 물건'입니다. 누가 샀든 일단 함께 쓰기 시작하면 물건 자체는 똑같습니다.

쉽게 말하면

공유 결합의 기본 그림은 두 원자가 전자를 하나씩 내놓아 전자쌍 하나를 함께 쓰는 것입니다. 그런데 한쪽이 이미 고립 전자쌍을 갖고 있고 다른 쪽에는 전자가 들어갈 빈자리만 있다면, 전자쌍을 통째로 내주는 방식으로도 결합이 만들어집니다. 이것이 배위 공유 결합(다티브 결합)입니다.

가장 유명한 예가 암모늄 이온입니다. 암모니아 $N H_{3}$ 의 질소에는 고립 전자쌍이 하나 있고, 수소 이온 $H^{+}$ 는 전자가 하나도 없는 빈 껍데기입니다. 질소가 그 고립 전자쌍을 내주면 $N H_{4}^{+}$ 가 만들어집니다.

$N H_{3} + H^{+} \to N H_{4}^{+}$

여기서 가장 중요한 사실은 이것입니다. 결합이 만들어지고 나면 어느 것이 배위 결합이었는지 구별할 수 없습니다. $N H_{4}^{+}$ 의 네 개의 $N - H$ 결합은 길이도, 세기도, 결합각도 완전히 똑같습니다. 전자쌍이 어디서 왔는지는 '어떻게 만들어졌는가'에 대한 이야기일 뿐, 완성된 결합의 성질에는 아무 흔적도 남지 않습니다.

이 결합은 루이스 산·염기의 정의 그 자체이기도 합니다. 전자쌍을 주는 쪽이 루이스 염기, 받는 쪽이 루이스 산이며, 둘이 만나 만드는 결합이 바로 배위 결합입니다. 물이 $H^{+}$ 를 받아 $H_{3} O^{+}$ 가 되는 것, 금속 이온이 여러 분자를 거느리고 착화합물을 이루는 것도 모두 이 결합입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$N H_{4}^{+}$ — 네 결합이 모두 똑같다

$N H_{3} + H^{+} \to N H_{4}^{+}$

질소의 고립 전자쌍이 $H^{+}$ 에게 통째로 제공되어 네 번째 결합이 만들어집니다. 그러나 완성된 암모늄 이온에서 네 개의 $N - H$ 결합은 실험적으로 전혀 구별되지 않습니다. 전자쌍이 4개이므로 모양도 정사면체입니다.
예시 2

$H_{3} O^{+}$ — 산이 물에 녹을 때 실제로 일어나는 일

산이 내놓은 $H^{+}$ 는 사실 물속에서 혼자 떠다니지 않습니다. 물 분자의 산소가 가진 고립 전자쌍 하나를 $H^{+}$ 에게 내주어 하이드로늄 이온 $H_{3} O^{+}$ 가 됩니다. 이것도 배위 결합입니다. 그래서 산성 용액의 주인공은 $H^{+}$ 가 아니라 $H_{3} O^{+}$ 입니다.
예시 3

$B F_{3}$ 와 $N H_{3}$ 가 만나면

$B F_{3}$ 의 붕소는 전자가 6개뿐이라 전자쌍이 들어올 자리가 비어 있고, $N H_{3}$ 의 질소에는 고립 전자쌍이 있습니다. 둘이 만나면 질소가 전자쌍을 내주어 붕소-질소 사이에 배위 결합이 생기고, 붕소는 그제야 옥텟을 채웁니다. 옥텟을 못 채운 분자가 왜 반응성이 큰지를 보여 주는 장면입니다.

보통의 공유 결합과 배위 공유 결합

구분	보통의 공유 결합	배위 공유 결합
전자쌍의 출처	두 원자가 하나씩	한 원자가 두 개 모두
결합 형성에 필요한 것	각자 홀전자 하나씩	한쪽의 고립 전자쌍 + 다른 쪽의 빈자리
만들어진 뒤의 성질	—	보통의 공유 결합과 구별 불가
예	$H_{2}$ 의 $H - H$	$N H_{4}^{+}$ 의 네 번째 $N - H$

자주 하는 오해

배위 결합이 다른 결합보다 약하거나 특별하다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

N H_{4}^{+}

의 네 번째

N - H

결합은 배위 결합이니 나머지 셋보다 약할 것이다

실제로는네 개의

N - H

결합은 길이도 세기도 완전히 같아서 구별할 수 없습니다.

'배위 결합'은 결합의 종류가 아니라 결합이 만들어진 과정을 가리키는 말입니다. 일단 두 전자가 두 원자 사이에서 공유되기 시작하면, 그 전자가 원래 누구 것이었는지는 아무 의미가 없습니다. 완성된 결합은 그냥 공유 결합입니다. 시험에서 '네 결합 중 다른 하나를 고르라'는 함정이 자주 나옵니다.

H^{+}

가 전자를 하나 내놓는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

N H_{3} + H^{+}

에서도 질소와 수소가 전자를 하나씩 내서 결합한다

실제로는

H^{+}

에는 전자가 하나도 없습니다. 질소가 고립 전자쌍 두 개를 전부 제공합니다.

수소 원자는 원래 전자가 1개뿐이고,

H^{+}

는 그 하나마저 잃은 상태 — 즉 양성자 하나입니다. 내놓을 전자가 없습니다. 그래서 결합이 생기려면 상대가 전자쌍을 통째로 내주는 수밖에 없고, 이것이 배위 결합이 필요한 이유입니다. 어느 쪽이 주고 어느 쪽이 받는지를 헷갈리면 루이스 산과 염기도 반대로 답하게 됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

공유 결합고2 루이스 산·염기고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1배위 결합을 화살표로 그리는 이유가 있나요?

전자쌍이 어느 원자에서 나왔는지를 표시하기 위해서입니다. 주는 쪽에서 받는 쪽으로 화살표를 그립니다. 다만 이는 결합이 만들어지는 과정을 나타내는 표기일 뿐, 완성된 결합이 특별하다는 뜻은 아닙니다.

Q2형식 전하를 계산하면

N H_{4}^{+}

의 질소가

+ 1

인데, 질소가 전자를 내줬는데 왜 양전하인가요?

형식 전하는 공유 전자쌍을 무조건 반씩 나눠 세는 규칙입니다. 배위 결합에서는 질소가 전자 2개를 다 냈는데 계산에서는 1개만 자기 몫으로 세므로

+ 1

이 나옵니다. 형식 전하는 실제 전하가 아니라 장부상의 숫자라는 점을 다시 확인해 주는 예입니다.

Q3착화합물에도 배위 결합이 있나요?

네, 착화합물은 배위 결합의 집합체입니다. 금속 이온 주위에 물이나 암모니아 같은 분자들이 고립 전자쌍을 내주며 달라붙습니다. 헤모글로빈의 철이 산소를 붙잡는 것도 같은 원리이고, 그래서 일산화 탄소가 그 자리를 대신 차지하면 위험해집니다.

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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