무엇이 원자를 붙들고 있을까요? 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합

원자가 결합하는 이유

원자가 결합하는 것은 바깥쪽 전자의 배치가 더 안정해지기 때문이며, 흔히 비활성 기체처럼 바깥쪽 껍질이 가득 차게 됩니다. 참여하는 것은 바깥쪽 전자인 원자가 전자뿐이며, 원자는 이를 내주거나 받거나 공유할 수 있습니다. 선택이 달라지면 결합의 종류도 달라집니다.

이온 결합: 전자를 주고받기

이온 결합은 보통 금속과 비금속 사이에 만들어집니다. 금속 원자는 전자를 잃어 양이온이 되고, 비금속 원자는 전자를 얻어 음이온이 됩니다. 반대 전하는 강하게 끌어당기며, 그 끌어당김이 이온 결합입니다.

식탁용 소금이 대표적인 예입니다. 나트륨 원자가 하나뿐인 바깥쪽 전자를 염소 원자에 주어 Na⁺와 Cl⁻가 됩니다. 소금 결정에는 따로 떨어진 NaCl 쌍이 없습니다. 대신 각 Na⁺는 Cl⁻ 이온 여섯 개로, 각 Cl⁻는 Na⁺ 이온 여섯 개로 둘러싸여, 결정 격자라는 정육면체 모양의 반복 패턴을 이룹니다.

이온 화합물은 보통 단단하고 잘 부서지는 고체이며 녹는점이 높습니다. 소금은 801 °C에서 녹습니다. 고체일 때는 전기를 전달하지 않지만, 녹이거나 물에 녹이면 이온이 자유롭게 움직일 수 있어 전기를 전달합니다.

공유 결합: 전자를 함께 쓰기

공유 결합은 보통 두 비금속 원자 사이에 만들어집니다. 어느 원자도 상대의 전자를 빼앗을 만큼 세게 끌어당기지 못하므로 대신 전자쌍을 공유합니다. 공유된 전자쌍은 두 원자핵에 모두 끌리며 원자들을 붙들어 줍니다. 이렇게 결합된 원자 집단을 분자라고 합니다.

물 분자(H₂O)에서 산소 원자는 두 수소 원자와 각각 전자쌍 하나를 공유합니다. 산소는 바깥쪽 전자가 6개였는데 이제 주위에 8개가 있고, 각 수소는 이제 2개를 가져 첫 번째 껍질이 가득 찼습니다. 원자는 전자쌍을 둘 공유해 O₂처럼 이중 결합을 만들 수도, 셋 공유해 N₂처럼 삼중 결합을 만들 수도 있습니다.

많은 공유 물질은 녹는점과 끓는점이 낮아 실온에서 기체나 액체인 경우가 많습니다. 물은 100 °C에서 끓습니다. 다이아몬드처럼 공유 결합으로 거대한 그물 구조를 이루는 일부 물질은 매우 단단합니다.

금속 결합: 전자의 바다

금속에서는 원자가 바깥쪽 전자를 내놓아 금속 전체를 자유롭게 움직이는 공동의 전자 무리를 이룹니다. 남은 것은 양전하를 띤 금속 이온의 규칙적인 배열이며, 이 전자의 '바다'가 이온들을 붙들어 줍니다. 이온과 움직이는 전자 사이의 끌어당김이 금속 결합입니다.

자유 전자는 전류를 전달하므로 구리가 전선에 쓰이고, 열도 전달하므로 뜨거운 국에 담근 금속 숟가락이 금세 뜨거워집니다. 결합이 특정한 원자 사이에 고정되어 있지 않기 때문에 이온의 층이 서로 미끄러질 수 있어서, 금속은 부서지지 않고 휘어지며 두드려 판으로 펼 수 있습니다.

전기 음성도로 결합 예측하기

전기 음성도는 원자가 공유 전자를 얼마나 세게 끌어당기는지를 나타냅니다. 두 원자를 비교하려면 큰 값에서 작은 값을 뺍니다. 대략적인 기준으로, 차이가 약 0.4보다 작으면 전자가 거의 똑같이 공유되고(무극성 공유 결합), 약 0.4에서 1.7 사이이면 고르지 않게 공유되며(극성 공유 결합), 약 1.7보다 크면 보통 이온 결합입니다.

염화 나트륨: 3.16 − 0.93 = 2.23이므로 이온 결합입니다. 물: 산소(3.44)와 수소(2.20)의 차이는 1.24이므로 O–H 결합은 극성 공유 결합입니다. 산소는 공유 전자를 더 가까이 끌어당겨 작은 음전하를 띠고, 수소 원자는 약한 양전하를 띱니다. 염소 기체(Cl₂): 3.16 − 3.16 = 0이므로 전자가 완전히 똑같이 공유됩니다.

이 기준값은 대략적인 지침이며 교과서마다 수치가 조금씩 다릅니다. 결합은 사실 연속적인 척도이기 때문입니다. 대부분의 경우 지름길이 통합니다. 금속 + 비금속은 이온 결합, 비금속 + 비금속은 공유 결합, 금속 + 금속은 금속 결합입니다.