화학 고2 물질의 구조와 성질

이온 결합

Q: 이온 결합 물질은 왜 대부분 물에 잘 녹나요?

물 분자는 극성이라 + 쪽은 음이온을, - 쪽은 양이온을 둘러쌉니다(수화). 이때 나오는 에너지가 이온을 결정에서 떼어 내는 비용을 상당 부분 갚아 주기 때문입니다. 다만 언제나 그런 것은 아니어서, 결정이 너무 단단하면 물에도 잘 녹지 않습니다.

전자를 주고받아 생성된 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력으로 형성되는 화학 결합이다.

전자를 주고받아 만들어진 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력으로 이루어지는 결합입니다.

자석 가루를 쏟아 놓은 것과 비슷합니다. N극 하나가 S극 하나만 붙잡는 게 아니라, 사방의 반대 극들이 서로를 끌어당기며 통째로 덩어리가 됩니다. 이온 결합에는 '짝'이 없고 '덩어리'만 있습니다.

쉽게 말하면

전자 껍질에서 본 대로, 금속 원자는 바깥 전자 몇 개를 버리는 쪽이 싸고 비금속 원자는 받는 쪽이 쌉니다. 나트륨이 전자 1개를 염소에게 넘기면 $N a^{+}$ 와 $C l^{-}$ 가 생깁니다. 여기까지는 아직 결합이 아닙니다.

결합의 정체는 그다음입니다. 반대 부호의 두 전하 사이에는 쿨롱 법칙이 말하는 인력이 작용합니다.

$F \propto \frac{q _{1} q _{2}}{r ^{2}}$

이 인력이 이온들을 붙잡아 두는 힘이고, 그것이 이온 결합입니다. 즉 '전자를 주고받는 것'은 결합의 준비 과정이고, 결합 자체는 그 결과로 생긴 끌어당김입니다. 이 구분을 놓치면 화학 결합 전체가 흐릿해집니다.

인력은 방향을 가리지 않으므로 이온들은 사방으로 반대 이온을 끌어당기고, 결국 수없이 많은 이온이 3차원으로 규칙적으로 쌓인 이온 결정이 됩니다. 소금 알갱이 하나에도 이온이 셀 수 없이 많이 들어 있습니다. 그래서 이온 결합 물질에는 '분자'가 없고, $NaCl$ 은 분자식이 아니라 이온의 개수비 $1 : 1$ 을 나타내는 실험식입니다.

이 구조가 성질을 그대로 설명합니다. 인력이 사방에서 촘촘히 작용하므로 녹는점이 높고, 고체에서는 이온이 제자리에 묶여 전기가 통하지 않지만 녹이거나 물에 녹이면 이온이 자유롭게 움직여 전기가 통합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

소금 결정이 왜 툭 치면 쪼개지는가

이온 결정에 힘을 주어 한 층을 살짝 밀면 $+$ 이온끼리, $-$ 이온끼리 마주 보게 됩니다. 순간적으로 인력이 반발력으로 바뀌면서 결정이 그 면을 따라 갈라집니다. 이온 결합이 약해서가 아니라 정확한 자리에 있을 때만 강하기 때문입니다.
예시 2

$MgO$ 가 $NaCl$ 보다 녹는점이 훨씬 높은 이유

$F \propto \frac{q _{1} q _{2}}{r ^{2}}$

$NaCl$ 은 $(+ 1) \times (- 1)$ , $MgO$ 는 $(+ 2) \times (- 2)$ 입니다. 전하의 곱이 4배가 되므로 이온을 떼어 내기가 훨씬 어렵고, 녹는점도 훨씬 높습니다.
예시 3

고체 소금 vs 소금물

고체 소금은 전구에 연결해도 불이 켜지지 않습니다. 물에 녹이면 켜집니다. 전하를 나르는 것은 전자가 아니라 이온 자신이라서, 이온이 움직일 수 있느냐가 전부를 결정합니다.

이온 결합과 공유 결합

구분	이온 결합	공유 결합
전자	한쪽이 주고 한쪽이 받음	두 원자가 나눠 가짐
구성 원소	금속 + 비금속	비금속 + 비금속
기본 단위	결정(분자 없음)	분자(또는 공유 결정)
화학식의 의미	이온의 개수비(실험식)	실제 원자 수(분자식)
전기 전도성	고체 ✕ / 액체·수용액 ○	대체로 ✕

자주 하는 오해

NaCl

분자가 존재한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움소금은

Na

하나와

Cl

하나가 짝지어진 분자

NaCl

이 모인 것이다

실제로는

N a^{+}

하나는 주변의

C l^{-}

여러 개와 동시에 결합합니다. 특정 짝이 없으므로 분자도 없습니다.

정전기적 인력에는 방향이 없어서 이온은 사방의 반대 이온을 모두 끌어당깁니다.

NaCl

이라는 식은 '결정 안에서

N a^{+}

와

C l^{-}

의 개수비가

1 : 1

'이라는 뜻일 뿐입니다. 분자량이 아니라 화학식량이라 부르는 이유도 이것입니다.

'전자를 주고받는 것' 자체가 결합이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움나트륨이 염소에게 전자를 넘겨준 순간이 이온 결합이다

실제로는전자 이동은 이온을 만드는 단계이고, 결합은 그렇게 생긴 양이온과 음이온이 서로를 끌어당기는 힘입니다.

이 구분을 해 두면 어려운 문제가 쉬워집니다. 결합의 세기가 왜 이온의 전하와 크기로 정해지는지(

F \propto q_{1} q_{2} / r^{2}

), 왜 액체가 되면 전기가 통하는지, 왜 결정이 특정 면에서 쪼개지는지가 전부 '인력'이라는 한 단어에서 나옵니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

화학 결합고1 전자 껍질고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

격자 에너지고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

광물고2 쿨롱 법칙고2

같은 단원의 개념 — 물질의 구조와 성질

자주 묻는 질문

Q1이온 결합 물질은 왜 대부분 물에 잘 녹나요?

물 분자는 극성이라

+

쪽은 음이온을,

-

쪽은 양이온을 둘러쌉니다(수화). 이때 나오는 에너지가 이온을 결정에서 떼어 내는 비용을 상당 부분 갚아 주기 때문입니다. 다만 언제나 그런 것은 아니어서, 결정이 너무 단단하면 물에도 잘 녹지 않습니다.

Q2이온 결합과 공유 결합은 칼로 자르듯 나뉘나요?

아닙니다. 두 원소의 전기음성도 차이가 클수록 이온성이 커지는 연속적인 스펙트럼이고, '완전한 이온 결합'은 이상적인 극단입니다. 실제

NaCl

에서도 전자가 100% 넘어가지는 않습니다.

Q3왜 금속과 비금속끼리만 이온 결합을 하나요?

전자를 잘 버리는 쪽(이온화 에너지가 작은 금속)과 잘 받는 쪽(전자 친화도가 큰 비금속)이 만나야 전자 이동이 수지가 맞기 때문입니다. 비금속끼리는 둘 다 받고 싶어 하므로 전자를 나눠 갖는 공유 결합으로 타협합니다.

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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이온 결정이 얼마나 단단한지를 수로 나타낸 것이 격자 에너지입니다. 녹는점·용해도가 왜 그렇게 달라지는지 거기서 정리됩니다.

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