이온결합, 공유결합, 금속결합

 

 

1. 이온결합

원자가 최외각 전자를 주었을 때 어떤 일이 일어날까요? 변화는 전자껍질에서만 생기며 원자핵의 구조는 아무런 영향을 받지 않습니다. 다만, 소금을 만드는 반응에서 금속과 비금속의 화학반응이 일어난 후에는 원자는 더 이상 전기적으로 중성을 띠지 않습니다. 금속의 경우는 전자를 내줌으로써 (+)전하를 띠는 원자가 만들어지고, 이처럼 (+)전하를 띠는 이온 (ion, 원자가 전자를 잃거나 얻어서 전하를 띠게 된 것을 말한다)을 '양이온(catino)'이라고 합니다. 비금속의 경우는 전자를 얻음으로써 (-)전하를 띤 원자가 만들어지는데, (-)전하를 띠는 이온은 '음이온(anion)'이라고 합니다. 양이온과 음이온은 전하를 띠며 전하를 띤 원자는 일반적으로 '이온'이라고 명명합니다. 소립자의 전하는 금속의 경우 양성자에게 유리하게 전이되며, 비금속의 경우는 전하가 전자에게 유리하게 전이됩니다. 

 

이온이라는 개념은 그리스어 ionos(가다)에서 유래하였습니다. 소금은 대개 물에 잘 녹으며 운동하는 전도체가 생기는데, 수용액에 전극을 연결하고 전류를 흐르게 하면 이 전도체는 전기장에서 이동하게 됩니다. 염소의 음이온을 '염화 이온'이라고 하며 이처럼 '~화 이온'으로 부르는 것은 할로겐 원소들의 모든 (음)이온 (플루오르화 이온, 염화 이온, 브로민화 이온, 아이오딘화 이온)과 일부 비금속 원자들의 모든 이온도 마찬가지 입니다. 즉, 산소 이온은 산화 이온, 황 이온은 황화 이온, 질소 이온은 질(소)화 이온이라고 합니다. 할로겐 원소들은 17족에 속하고 할로겐 이온이 되기 위해서는 전자 1개를 얻어야 합니다. 따라서 모든 할로겐 이온들은 -1가의 전하를 띱니다. 산소와 황의 음이온은 산화 이온과 황화 이온으로서 -가의 전하를 띱니다. 이는 16족의 성질과 관련이 있습니다. 16족의 원소들은 '비활성기체 상태'에 도달하기 위해 2개의 전자를 얻어야 합니다. 질소와 인 같은 5족의 비금속 원소들은 3개의 전자를 얻어야 합니다. 따라서 -3가의 전하를 띤 질소화 이온과 인화이온이 생기게 됩니다. 1족과 2족에 속하는 원소들은 모두 금속인데, 1족의 알칼리 금속은 +1가의 양이온을, 2족의 알칼리토금속은 +2가의 양이온을 형성합니다. 또한 13족에서 알루미늄은 +3가의 양이온을 형성하는 것을 알 수 있습니다. 

 

이런 방법을 이용하여 화학적 장치난 화학물질 하나 없이도 '주기율표상으로' 염화소듐, 플루오르화소듐, 아이오딘화소듐, 산화칼륨, 황화바륨, 염화알루미늄, 산화알류미늄, 황화마그네슘 등과 같은 몇 가지 염을 만들 수 있습니다. 이런 종류의 화합물은 얼마든지 만들 수 있고 모두 같은 유형의 반응으로 형성됩니다. 즉, 전자주개인 금속이 전자받게인 비금속에 최외각 전자를 주어, 금속과 비금속 간의 결합이 완성되는 것입니다. 이 둘은 전자전달 반응을 통해 에너지적으로 안정된 '비활성기체 상태'가 됩니다. 

 

2. 전자의 공유로 생기는 공유 결합

이온 결합은 전자전달 반응에 의해 생성됩니다. 금속이 전자를 주면서 형성하는 양이온과 비금속이 전자를 받으면서 형성하는 음이온은 전자기적으로 소로 끌어당깁니다. 또한 이 때문에 양이온과 음이온의 화합물은 염의 물질 그룹이 지닌 특성, 즉 고체이고 쪼개지기 쉬우며 녹는 온도와 끓는 온도가 높은 성질을 지니게 됩니다. 이와 반대로 공유 결합은 전자를 공유함으로써 일어나며, 비금속 원자 사이에서 이루어 집니다. 공유 결합으로 만들어지는 화합물은 분자이며, 분자 사이의 인력이 작아 대체로 액체나 기체 상태로 존재하며, 녹는점과 끓는점이 상대적으로 낮습니다. 

 

수소(H2) 분자는 두 원자 사이에 전자 2개(전자쌍 1개)를 공유하는 결합으로 이루어집니다. 수소 원자는 헬륨의 전자 배치를 위해 또 다른 전자를 필요로 합니다. 그런데 수소 원자만 있으면 수소 분자가 만들어져 각각의 수소 원자 그 자체만 놓고 본다면 수소 원자는 에너지 면에서 불리한 상태입니다. 하지만 두 수소 원자는 각각 최외각전자를 공동으로 이용함으로써 헬륨과 같은 '비활성기체 상태'에 도달해 유리한 에너지 상태가 됩니다. 그런데 전자들은 두 원자핵 사이에 있습니다. 이러한 전자들을 '결합전자' 또는 '결합전자쌍'이라고 합니다.  

 

이온결합과는 반대로 공유결합에서는 '비활성기체 상태'가 전자전달에 의해 이루어지지 않습니다. 공유결합의 특징은 적어도 2개의 반응 파트너가 화학 결합을 하기 위해 전자들을 공동으로 이용합니다. 이는 교집합의 모습과 유사합니다. 이러한 화학결합에 참여한 두 원자는 에너지를 얻는데, 바로 양쪽 모두에게 유리한 상황이 만들어집니다. 이 경우 결합전자는 일종의 음(-) 접합제로서 (=)전하를 띠는 원자핵을 서로 결합하거나 거리를 유지하는 기능을 합니다. 수소 분자 (H2)는 2개의 전자를 공유하는 단일결합을 합니다. 두 전자 중의 하나는 결합 파트너의 전자에서 나온 것이며, 결합 전에는 최외각 전자였습니다.

 

다른 비금속 원자들은 같은 원자들과도 공유 결합을 합니다. 하지만 산소 분자(O2)는 수소와는 달리 단일 결합을 하지 않고 이중결합을 합니다. 산소 원자의 경우, '비활성기체 상태'가 되려면 최외각 껍질에 전자 2개가 부족하기 때문입니다. 부족한 2개의 전자는 금속과 반응해서는 채워질 수가 없습니다. 따라서 2개의 산소 원자 사이에 '전자 공유'가 이루어져 4개의 전자(2개의 전자쌍)가 공유됩니다. 이렇게 해서 두 원자 사이에 이중결합이 이루어 집니다. 질소(N2)도 이와 유사한 방식으로 분자를 형성합니다. 질소는 두 원자 사이에 전자 6개(전자쌍 3개)를 공유하는 결합을 합니다. 2개의 질소 원자는 삼중결합을 통해 형성됩니다. 

 

3. 금속결합

금속에서는 전자들이 자유롭게 이동하는 자유전자가 존재합니다. 공유결합에서는 원자가전자들이 원자들의 결합을 유발하지만, 금속에서는 각각의 원자들에게 전자가 할당되지 않습니다. 전자들은 '자유전자-접합제'로서 금속 양이온의 결합을 유발하는 동시에 금속 양이온들이 서로 밀어내는 것을 막습니다. 금속 양이온은 금속 격자를 형성하는데, 이 격자에서 금속 양이온들은 완전히 동등한 자리를 차지합니다. 이 때문에 금속 격자에서는 전자들에게 특정한 '자리'가 할당되지 않아 전자들이 자유롭게 움직입니다. 금속의 강도나 변형성이 서로 다른 이유는 자유전자를 형성하는 원자가전자 때문입니다. 즉, 자유전자에 원자가전자 또는 최외각전자가 많아질수록 금속 양이온들 사이에 (-)전하가 더 많아집니다. 이로써 금속 양이온들 사이의 인력이 커져 금속은 변형되기 어려워지고 강해집니다.