2.10: 공유결합

개요

두 원자가 전자를 공유하여 원자가 껍질(valence shell)을 온전히 채우면 원자들은 공유결합을 형성합니다. 원자의 전기음성도(electronegativity; 공유 전자가 원자쪽으로 당겨지는 힘)는 전자가 어떻게 공유되는지 결정합니다. 공유결합으로 형성된 분자는 극성(polar) 또는 비극성(nonpolar)일 수 있습니다. 유사한 전기음성도를 지닌 원자들은 전자를 동등하게 공유하는 비극성 공유 결합을 형성합니다. 전기음성도에 차이가 있는 원자들은 전자를 동등하지 않게 공유하는 극성 결합을 형성합니다.

두 공유 전자에 의해 형성되는 공유결합

원자가 형성할 수 있는 공유결합의 수는 원자가 가진 원자가 전자(valence electron)의 수에 따라 결정됩니다. 예를 들어 산소는 원자가 껍질에 담을 수 있는 원자가 전자 8개 중 6개를 가지고 있는데, 이는 산소 원자가 안정되기 위하여 2개의 전자가 추가로 필요하다는 것을 의미합니다. 산소는 두 개의 수소 원자와 물(H₂O)을 형성 할 때와 마찬가지로, 두 개의 원자와 각각 단일 결합을 형성 할 수 있습니다. 산소는 또한 옥텟(octet)을 형성하기 위해 산소와 같이 2개의 추가 전자를 필요로 하는 원자(예: 또 다른 산소 원자)와 이중 결합을 형성할 수도 있습니다. 탄소는 4개의 원자가 전자를 가지고 있으므로 메탄(CH₄) 같은 4개의 공유결합을 형성할 수 있습니다.

공유결합이 결성되면 두 원자는 일반적인 궤도와 모양이 다른 혼성 궤도에서 한 쌍의 전자를 공유합니다. 따라서 결합에 참여하는 전자는 두 원자의 핵 주위를 변형된 경로를 따라 돌게 됩니다. 공유결합 세기는 강해서 일단 형성되면 물리적인 힘에 의해 깨질 수 없습니다.

전기음성도로 결정되는 분자의 극성/비극성 여부

전기음성도는 화학결합에서 원자가 전자를 끌어당기는 경향을 말합니다. 가장 전기음성도가 높은 원자는 불소입니다. 원자의 전기음성도는 주기율표의 오른쪽 상단 모서리에 있는 불소(오른쪽 열에서 비활성 기체는 생략함)부터 시작하여 왼쪽 대각선으로 이동하며 감소하는 경향이 있습니다. 따라서 가장 낮은 전기음성도를 가진 원자가 왼쪽 하단 모서리에 있게 됩니다 (예: 프랑슘 또는 Fr). 원자 간 전기음성도 차이가 극도로 클 경우 원자들은 공유결합대신 이온을 형성할 가능성이 높습니다. 한편 공유결합을 결성하는 원자의 경우 각 원자의 전기음성도 값이 결합이 극성 또는 비극성이 될지 결정하게 됩니다.

비극성 결합은 전자를 동등하게 공유되는 결합으로 분자 전체에 걸쳐 전하를 띠지 않습니다. 반면 극성 결합은 한 원자가 다른 원자보다 더 전기음성도가 높을 경우 전자를 전기음성도가 높은 쪽으로 끌어당기게 되어 발생합니다. 극성 결합은 한쪽에 부분적인 음전하를 띠며 다른 쪽에는 부분적인 양전하를 띠어 비극성 분자와는 다르게 행동하게 됩니다.

극성 분자가 가진 부분 전하는 전하를 띈 다른 분자에 끌리게 만들기 때문에 극성 분자는 친수성(hydrophilic)을 지니고 물에 용해됩니다. 지방과 같이 긴 탄화수소 사슬을 포함하는 비극성 분자는 소수성(hydrophobic)을 지니고 극성 분자와 달리 물에 용해되지 않습니다. 세포는 대개 액체에 둘러싸여 있고 물을 포함한 세포질(cytoplasm)을 가지고 있습니다. 따라서 분자가 물이나 전하를 띈 분자와 상호작용하는 방법은 분자가 세포에 의해 어떻게 운반되고 사용되는지에 영향을 끼칩니다.

- [강사] 공유결합이 형성되는 경우는원자 두 개가 원자가 전자를 공유하여바깥 껍질들을 하나씩 완성하고단일 결합으로 된 하나의 안정된 분자를 만들 때입니다몇 개의 전자를 공유하는지에 따라공유결합의 수는 증가할 수 있습니다예를 들어 산소 원자 두 개가 있을 때각각에 여섯 개의 원자가 전자가 있으며전자 두 쌍을 공유한다면, 이중 결합이 형성됩니다이는 무극성공유결합입니다이유는 원자 간에 전자를 공평하게 공유하기 때문입니다이런 공유결합에서는 전자를 당기는 힘이 동일합니다다시 말해 원자들에 동일한 전기 음성도가 있습니다공유결합이 이루어진 전자를 원자가 더 강하게 당길수록원자의 전기 음성도는 더 높습니다탄소와 수소처럼 전기 음성도가 비슷한서로 다른 두 원자가 있다면그들 또한 무극성공유결합으로전자를 동등하게 공유할 것입니다하지만 전기 음성도가 서로 크게 다른두 원소가 결합하게 되면두 원소는 전자를 동일하게 공유하지 않아서극성공유결합이 이루어집니다예를 들어 물에는 강한 산소 하나와약한 수소 둘이 있습니다산소 원자는 대부분의 경우음으로 대전된 전자들을 모두 보유하고 있어서부분적 음전하를 띠게 됩니다이런 상황으로 인해 수소는 부분적 양전하를 띠게 되어이 혼합물에 극성이 존재하게 됩니다