결합에너지

요약 여러 개의 구성입자가 결합하여 만들어진 분자의 결합을 끊어 구성입자로 분리하는 데 필요한 에너지이다. 분자 내 원자 사이의 결합에너지, 원자핵 속에서 핵자 사이의 결합에너지가 있다.

값이 클수록 결합한 정도가 강하다고 볼 수 있다. 결합에너지는 크게 여러 원자가 결합하여 분자를 만들었을 때와, 여러 핵자가 결합하여 원자핵을 만들었을 때로 나눌 수 있다.

① 분자 내 원자 사이의 결합에너지: 물질의 분자 또는 결정이 여러 원자의 화학결합으로 이루어졌을 때, 이들 원자 사이의 화학결합에 소요된 에너지를 말하며, 화학결합에너지라고도 한다. 예를 들면, 메테인 CH₄은 4개의 탄소 C－수소 H 결합을 가지고 있는 화합물인데, 이것을 완전히 탄소원자와 수소원자로 분리시키는 데 필요한 에너지는 1몰당 395㎉이다. 따라서 1개의 C－H결합의 결합에너지는 1몰당 98.75㎉가 된다.

여러 화학결합에 대한 결합에너지를 알고 있으면, 이것을 이용하여 여러 화합물의 해리에너지 또는 생성에너지를 쉽게 구할 수 있다. 다만, 공명구조를 가진 화합물이나 이성질체인 것은 보다 복잡한 이론을 고려하여야 한다. 한편, 결정의 결합에너지는 승화열을 이용하여 실험적으로 측정할 수 있다.

② 원자핵 속에서 핵자 사이의 결합에너지: 이때 결합에너지는 여러 핵자가 서로 결합하여 원자핵이라는 단단한 결합체를 만들 때 밖으로 방출된 에너지를 말한다. 반대로 말하면, 원자핵을 그 구성단위인 핵자로 분리시키려고 할 때 외부로부터 가해야 할 에너지에 해당한다. 이 값은 그것을 구성하고 있는 핵자의 수(질량수라고 한다)가 큰 원자핵일수록 크지만, 핵자 1개에 대한 평균 결합에너지를 살펴보면 질량수가 큰 원자핵이 반드시 큰 것은 아니다. 질량수가 중간 정도인 철의 원자핵(질량수 56)이 가장 크고, 철보다 무거운(질량수가 큰) 원자핵은 무거워질수록 평균 결합에너지가 차차 작아지며, 또 철보다 가벼운 원자핵은 가벼워질수록 비교적 급격히 작아지게 된다.

다시 말하면, 개개의 핵자 사이의 결합은 철의 원자핵이 가장 강하고, 그보다 무겁거나 가벼운 원자핵은 비교적 약하다. 이 때문에 무거운 원자핵(예를 들면, 우라늄핵)이 파괴되어 중간 정도의 질량수를 갖는 원자핵으로 변환하거나, 가벼운 원자핵(예를 들면, 수소핵·중수소핵)이 서로 융합하여 무거운 원자핵이 될 때는 이에 따라 막대한 양의 에너지를 밖으로 방출한다. 이것이 곧 원자핵분열 또는 원자핵융합에 의한 원자에너지(원자력)의 발생 원리이다.