화학 고2 물질의 구조와 성질

공유 결합

Q: 옥텟 규칙은 반드시 지켜지나요?

2주기 원소에서는 거의 잘 맞지만 예외가 있습니다. BF3는 붕소 주위에 6개뿐이고, SF6는 황 주위에 12개입니다. 자세한 것은 옥텟 규칙 예외를 보세요.

두 원자가 전자쌍을 공유하여 형성하는 결합으로, 비금속 원소 사이에서 주로 나타난다.

두 원자가 전자쌍을 함께 가지면서, 그 전자쌍이 두 원자핵을 동시에 끌어당겨 이루어지는 결합입니다.

두 사람이 밧줄 하나를 가운데 두고 양쪽에서 잡고 있는 모습입니다. 밧줄(공유 전자쌍)을 놓지 않는 한 두 사람은 떨어질 수 없습니다.

쉽게 말하면

전자 껍질에서 본 대로 원자들은 바깥 껍질을 꽉 채우고 싶어 합니다. 그런데 비금속 원자끼리 만나면 둘 다 전자를 받고 싶어 하지 뺏길 생각이 없습니다. 그래서 타협합니다. 전자를 가운데 놓고 둘 다 자기 것으로 세는 것입니다. 수소 원자 두 개가 전자를 하나씩 내놓아 전자쌍 하나를 만들면, 각자 K 껍질에 2개를 채운 셈이 됩니다.

결합이 생기는 진짜 이유는 에너지입니다. 두 핵 사이에 전자 밀도가 높아지면 그 전자가 양쪽 핵을 동시에 끌어당겨 계 전체의 에너지가 낮아집니다. 너무 가까워지면 핵끼리의 반발이 커지므로, 에너지가 가장 낮아지는 어떤 거리에서 멈춥니다. 그 거리가 결합 길이입니다.

전자쌍은 하나만 나눌 수도, 둘·셋을 나눌 수도 있습니다. 각각 단일 결합( $H - H$ ), 2중 결합( $O = O$ ), 3중 결합( $N \equiv N$ )입니다. 질소 기체가 그렇게 안정한 이유가 3중 결합입니다.

주의할 것은 공유 결합 물질의 성질입니다. 물이나 이산화 탄소처럼 분자를 이루면 녹는점·끓는점이 낮지만, 다이아몬드나 석영처럼 공유 결합이 그물처럼 끝없이 이어진 공유 결정은 녹는점이 매우 높습니다. 둘의 차이는 결합의 세기가 아니라 '어디까지 이어져 있느냐'입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

물 분자에서 각 원자가 얻는 것

$H : O : H$

산소는 원자가 전자가 6개라 2개가 모자랍니다. 수소 두 개와 전자쌍을 하나씩 공유하면 산소는 8개(옥텟), 수소는 각각 2개(듀엣)를 채웁니다. 공유한 전자는 양쪽이 모두 자기 것으로 셉니다 — 이게 공유 결합의 전부입니다.
예시 2

$N_{2}$ 가 좀처럼 반응하지 않는 이유

$N \equiv N$

질소는 전자쌍 3개를 공유해 3중 결합을 만듭니다. 공기의 약 78%가 질소인데도 우리가 그냥 숨 쉬며 살 수 있는 것은, 이 결합을 끊는 데 드는 에너지가 매우 크기 때문입니다.
예시 3

다이아몬드는 왜 녹지 않는가

다이아몬드는 탄소 하나가 이웃 탄소 4개와 공유 결합을 하고, 그것이 결정 전체로 끝없이 이어집니다. 녹이려면 공유 결합을 직접 끊어야 하므로 3000 °C가 넘는 온도가 필요합니다. 반면 얼음을 녹이는 것은 물 분자 사이의 약한 힘을 끊는 일이라 0 °C면 충분합니다 — 물의 $O - H$ 결합은 멀쩡히 남아 있습니다.

자주 하는 오해

공유 결합 물질은 모두 녹는점이 낮다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움공유 결합은 이온 결합보다 약해서 녹는점이 낮다

실제로는얼음이 0 °C에 녹는 것은 공유 결합이 끊겨서가 아니라 분자 사이의 힘이 끊겨서입니다. 공유 결합이 계속 이어진 다이아몬드·석영은 녹는점이 극히 높습니다.

녹는다는 것은 '입자가 서로 미끄러질 수 있게 된다'는 뜻입니다. 분자 물질에서 미끄러지는 단위는 분자이므로 끊어야 할 것은 분자 사이의 약한 힘이고, 공유 결정에서는 미끄러지려면 공유 결합 자체를 끊어야 합니다. 결합의 세기가 아니라 끊어야 하는 것이 무엇인가를 물어야 합니다.

공유 전자쌍이 두 원자 정확히 가운데 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움공유했으니 전자는 두 원자가 정확히 반씩 나눠 가진다

실제로는두 원자가 서로 다르면 전기음성도가 큰 쪽으로 전자쌍이 치우칩니다.