공유결합과 금속결합

공유결합(Covalent Bonding)

 

공유결합은 안정된 전자 배위가 두 인접 원자 간에 전자를 공유함으로써 만들어진다. 공유 결합하는 두 원자에서는 적어도 하나의 전자가 결합에 참여하고 있으며, 공유된 전자는 두 원자에 모두 속해 있다고 볼 수 있다. 공유 결합의 한 예로 메탄(CH4) 분자 공유 결합을 들 수 있다. 탄소 원자는 네 개의 ㅣ최외각 전자를 갖고, 수소 원자는 한 개의 최외각 전자를 갖고 있다. 각각의 수소 원자는 하나의 전자를 공유함으로써 He의 전자 배위를 갖게 된다. 탄소는 네 개의 최외각 전자를 갖고 각각의 전자는 수소와 공유하여 총 여덟 개의 외각 전자를 갖게 되어 네온의 전자 구조와 같게 된다. 공유 결합의 특징은 결합의 방향성이다. 즉, 각 원자의 상대적인 위치(방향)는 전자를 공유하는 방향으로 전재하게 된다. 

 

많은 비금속 1원계 분자(예: H2, Cl2, F2 등)와 CH4, H2O, HNO3, HF와 같은 2원계 분자는 공유 결합을 하고 있다. 또한 다이아몬드(C), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 탄화규소(SiC)등 도 공유 결합을 하고 있다. 

 

각각의 원자에 가능한 공유 결합의 개수는 최외각 전자의 개수에 희해 정해진다. 

만약 N개의 최외각 전자를 가지고 있다면 최대 8-N 만큼의 공유 결합을 가질 수 있다. 예를 들어 염소의 경우 N=7, 이고 8-N=1이다. 따라서 Cl원자는 다른 원자와 오직 한 개의 공유 결합을 할 수 있다. 마찬가지로, 탄소의 경우 N=4이므로, 탄소 원자는 8-N=4, 즉 4개의 전자를 공유할 수 있다. 다이아몬드는 각각의 C원자가 다른 네 개의 C원자와 공유 결합을 하는 3차원적인 결합 구조를 가지고 있다. 

 

 

금속 결합(Metallic Bonding)

 

1차 결합에서 마지막으로 다룰 금속 결합은 금속과 합금에서 흔히 볼 수 있는 것으로, 이 결합의 기구에 대한 비교적 간단한 모델이 제시된다. ㄱ므속 재료는 한 개나 두 개, 또는 최대 세 개까지의 최외각 전자를 가지고 있다. 이 모델에 의하면, 고체상에서 이러한 최외각 전자는 특정한 원자에 구속되어 있지 않고 금속 내부를 비교적 자유롭게 돌아다닌다. 이러한 전자는 금속 전체에 속해 있다고 볼 수 있으며, 또 '전자 바다'나 '전자구름'으로 생각할 수 있다. 남은 비 외각 전자와 원자핵은 이온 코어라고 불리며, 각 원자당 외각 전자와 같은 양의 양전하를 갖는다. 자유 전자는 양전하의 이온 코어가 서로 정전기적으로 밀어내는 것을 막아주며, 금속 결합은 방향성이 없다는 특성을 갖는다. 또한 이러한 자유 전자들은 이온 코어를 서로 뭉치에 하는 '접착제'와 같은 역할을 한다. 

 

이러한 금속 결합 원소는 IA와 IIA족 원소가 대표적이며, 실제로 모든 금속은 금속 결합을 하고 있다고 말할 수 있다. 다양한 재료의 형태의 일반적인 거동은 결합의 종류에 따라 설명 할 수 있다. 예를 들면 ㄱ므속은 자유 전자의 존재로 인해 열과 전기에 좋은 전도체이다. 대조적으로 공유나 이온 결합으로 이우어진 재료들은 자유전자가 거의 없이 때문에 전기적, 열적 부도체이다. 

 

더욱이 상온에서 대부분은 금속과 그들의 합금 연성을 가지지 못한다. 이거은 재료가 영구 변형을 겪고 난 후 파괴가 일어나기 때문이다. 이러한 거동은 변형 기구에서 설명될 수 있고 이것은 금속 결합의 고유한 특성이다. 

 

이와는 반대로 상온에서 이온 결합을 하는 재료는 그들의 구성 이온의 전기적으로 부하된 특성으로 인한 결과로써 본질적으로 깨지기 쉽다. 

 

 

2차 결합 또는 반 데르 발스 결합(Secondary, Van der waals bonds)

 

2차 결합, 반데르 발스 결합 

 

2차 결합 또는 물리적 결합은 1차 혹은 화학은 결합에 비해 약하다. 결합 에너지는 보통 10kJ/mol 정도이다. 2차 결합은 실제로 모든 원자와 분자 사이에 존재한다. 그러나 이러한 결합의 효과는 전술한 세 종류의 1차 결합이 함께 존재할 때는 가려진다. 2차 결합은 안정된 전자 배위를 갖고 있는 불활성 기체나 공유 결합의 분자와 분자 사이에서 볼 수 있다. 

 

쌍극자

 

2차 결합력은 원자나 분자의 쌍극자(dipole)에서 나온다. 원자나 분자에서 양전하와 음전하가 근접하게 분리 위치할 때는 언제나 전기적 쌍극자가 존재하게 된다. 한 쌍극자의 양전하 끝 부위와 인접한 쌍극자의 음전하 끝 부위 사이에 작용하는 쿨롱 인력에 기인한다. 쌍극자 간 상호작용은 유도 쌍극자들 사이에, 유도 쌍극자와 영구 쌍극자를 가진 극성 분자들 사이에, 또는 극성 분자들 사이에 존재한다. 수소 결합은 2차 결합의 특수한 형태로, 수소 원자를 구성 원소로 갖는 분자들 중에서 발견된다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판