화학 고3 물질의 세 가지 상태 심화

수소 결합

전기음성도가 큰 N·O·F에 결합된 H 원자와 인접 분자의 비공유 전자쌍 사이의 강한 분자 간 인력이다. 진로선택 「물질과 에너지」 소속.

전기음성도가 매우 큰 N·O·F에 직접 결합한 수소 원자가, 이웃한 분자의 N·O·F가 가진 비공유 전자쌍에 강하게 끌리는 분자 간 힘입니다.

N

O

F

는 전자를 워낙 세게 끌어당겨서, 붙어 있던 수소를 거의 '전자 없는 양성자'로 벗겨 놓습니다. 그 벌거벗은 (+)가 옆 분자의 전자쌍에 달라붙는 것이 수소 결합입니다.

쉽게 말하면

왜 하필 N, O, F뿐일까요? 세 조건이 동시에 맞아야 하기 때문입니다. 첫째, 전기음성도가 커서 수소의 전자를 확실하게 빼앗아 수소를 강한 부분 양전하로 만듭니다. 둘째, 원자 반지름이 작아서 그 부분 전하가 좁은 곳에 몰려 밀도가 큽니다. 셋째, 비공유 전자쌍을 가지고 있어 이웃 분자의 수소를 받아 줄 자리가 있습니다. 염소는 전기음성도가 꽤 크지만 원자가 커서 전하가 퍼지기 때문에 이 목록에 들지 못합니다.

수소 결합은 분자 간 힘의 한 종류이지만, 그중 압도적으로 셉니다. 그래서 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 작은데도 끓는점이 유별나게 높습니다. 16족 수소 화합물의 끓는점을 분자량 순으로 늘어놓으면 $H_{2} S$ , $H_{2} Se$ , $H_{2} Te$ 는 분자량이 커질수록 나란히 올라가는데, 가장 가벼운 $H_{2} O$ 만 그 줄에서 혼자 위로 튀어 오릅니다. 15족의 $N H_{3}$ , 17족의 $HF$ 에서도 똑같은 '튐'이 나타납니다.

이름에 '결합'이 붙었지만 공유 결합이 아닙니다. 어디까지나 분자와 분자 사이의 인력이고, 세기도 공유 결합보다 훨씬 약합니다. 그래서 물을 끓여도 $H_{2} O$ 는 부서지지 않고 통째로 날아갑니다 — 끊어진 것은 수소 결합뿐입니다.

생명체에서 수소 결합은 특히 중요합니다. DNA 구조의 두 가닥을 붙잡아 두는 염기쌍 사이의 힘도, 단백질이 나선과 병풍 모양으로 접히게 하는 힘도 수소 결합입니다. 필요할 때 지퍼처럼 열렸다가 다시 닫혀야 하므로, 공유 결합만큼 강하면 오히려 곤란합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

얼음이 물에 뜨는 이유

물 분자는 수소 결합을 최대 네 방향으로 만들 수 있습니다. 얼 때 분자들이 그 네 방향을 모두 살리려고 육각형의 빈 구조로 배열되면서, 액체일 때보다 오히려 부피가 커집니다. 그래서 얼음의 밀도가 물보다 작아 물 위에 뜹니다. 겨울에 호수가 위에서부터 어는 덕분에 물속 생물이 살아남습니다.
예시 2

물의 비열과 표면 장력이 큰 것

물을 데우려면 분자를 빠르게 만들기 전에 수소 결합부터 흔들어 놓아야 하므로 열이 많이 듭니다. 또 표면의 물 분자가 안쪽으로 강하게 끌려 들어가 물방울이 동그랗게 뭉치고, 소금쟁이가 물 위에 뜹니다.
예시 3

$HF$ 가 $HCl$ 보다 끓는점이 높은 것

분자량은 $HF$ 가 더 작습니다. 그런데도 끓는점이 훨씬 높은 것은 $HF$ 만 수소 결합을 하기 때문입니다. $Cl$ 은 전기음성도가 크긴 해도 원자 크기가 커서 수소 결합을 만들지 못합니다.

자주 하는 오해

수소가 들어 있으면 수소 결합을 한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C H_{4}

HCl

H_{2} S

에도 수소가 있으니 수소 결합을 한다

실제로는수소가 N·O·F에 '직접' 결합해 있을 때만 수소 결합입니다.

C H_{4}

HCl

H_{2} S

는 수소 결합을 하지 않습니다.

탄소·염소·황은 전기음성도가 부족하거나 원자가 커서, 수소를 강한 부분 양전하로 벗겨 내지 못합니다. 참고로

C H_{3} OC H_{3}

처럼 산소가 있어도 그 산소에 수소가 붙어 있지 않으면, 자기들끼리는 수소 결합을 하지 못합니다.

수소 결합을 화학 결합만큼 센 것으로 취급하기

이렇게 생각하기 쉬움'결합'이라는 이름이 붙었으니 공유 결합과 비슷한 급의 강한 결합이다

실제로는수소 결합은 분자 간 힘 중에서 강한 것일 뿐, 공유 결합보다는 훨씬 약합니다.

물을 끓이는 데 드는 에너지는 수소 결합을 끊는 데 쓰이고, 물을

H_{2}

와

O_{2}

로 분해하려면 그보다 훨씬 큰 에너지가 필요합니다. 수소 결합이 공유 결합급이었다면 DNA 두 가닥은 복제할 때마다 부서졌을 것입니다 — 적당히 약해서 열렸다 닫혔다 할 수 있는 것이 핵심입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

분자의 극성고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

단백질고3 DNA 구조고3

같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태

게이-뤼삭 법칙고3 그레이엄 확산 법칙고3 기체 운동론고3 보일 법칙고3 분산력(런던 힘)고3 분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3 상평형 그림고3 샤를 법칙고3 쌍극자-쌍극자 힘고3 아보가드로 법칙고3 이상 기체 법칙고3 증기압과 끓는점고3 혼합 기체와 분압고3

자주 묻는 질문

Q1왜 N, O, F만 되고 Cl은 안 되나요?

전기음성도만 보면 염소도 꽤 큽니다. 하지만 원자가 커서 부분 음전하가 넓게 퍼지고, 마찬가지로 수소 쪽 부분 양전하도 충분히 진해지지 않습니다. 수소 결합은 '큰 전기음성도'와 '작은 크기'가 함께 있어야 생깁니다.

Q2물 한 분자는 수소 결합을 몇 개까지 하나요?

최대 4개입니다. 수소 두 개로 이웃의 전자쌍에 붙고, 자기 산소의 비공유 전자쌍 두 개로 이웃의 수소를 받아 줍니다. 이 '4방향'이 얼음의 육각 구조를 만듭니다.

Q3같은 분자 안에서도 수소 결합이 생기나요?

분자가 접혀서 수소와 전자쌍이 가까워지면 한 분자 안에서도 생길 수 있습니다. 단백질이 특정한 3차원 모양으로 접히는 것이 바로 그런 경우입니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 물질의 세 가지 상태 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

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

오류 신고하기

가장 약하지만 모든 분자에 작용하는 분산력(런던 힘)을 보고 나면, 세 힘을 한 줄에 세워 끓는점을 비교하는 분자간 힘과 끓는점이 쉬워집니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

수소 결합 지도에서 확인하기 →