화학결합

요약 원자 또는 원자단의 집합체에서, 구성원자들 간에 작용하여 그 집합체를 하나의 뚜렷한 단위체로 간주할 수 있게 하는 힘을 말하는데, 이온결합, 공유결합, 금속결합, 배위결합 등으로 구분된다.

화학에 있어서 기본적인 사실의 하나로 산소·수소·탄소·질소 등 원소들이 결합하여 물·메테인·암모니아 등 화합물을 만들 때, 만들어진 화합물의 성질은 그 구성원소들과 완전히 달라지게 된다. 일반적으로 원자 또는 원자단의 집합체에 있어서 구성원자들간에 센 힘이 작용하여 그 집합체를 하나의 뚜렷한 단위체로 간주할 수 있을 경우, 그러한 힘을 화학결합이라고 정의한다. 근본적으로 이러한 힘은 쿨롱의 법칙에 따른 정전기적 힘에서 유래한다.

2개의 원자가 가까이 접근하면 각 원자 내의 핵과 전자가 다른 원자의 핵과 전자의 영향을 받게 되어 전하의 부호에 따라 정전기적 또는 반발력이 입자들간에 작용하게 된다. 이러한 상호작용으로 인력이 우세해지면 원자들은 새로운 단위체, 즉 분자를 형성하게 되며, 이때 두 원자 사이에는 화학결합이 생겼다고 한다. 결합 메커니즘에 따라 결합·공유결합·금속결합·배위결합으로 나뉘지만 실제의 화학결합에는 이들 결합이 혼합되어 있다. 화학결합을 자세히 조사하기 위해서는 정전기적 힘 외에 원자에 있는 전자들의 운동 및 분포를 고려해야 하며, 이들에 대한 양자역학적 처리가 필요하게 된다. 화학결합은 다음 몇 가지 유형으로 분류하는 것이 편리하지만, 실제의 화학결합에는 이들의 이상적인 형태들이 섞여 있다.

① 이온결합: 1개 또는 그 이상의 전자가 하나의 원자에서 다른 원자로 이동할 때 양이온과 음이온 간에 작용하는 정전기적 힘에 의해 형성되는 화학결합이다. 소금 결정은 나트륨의 양이온과 염소의 음이온 간의 이온결합에 의하여 형성된 거대분자라고 볼 수 있다. 이온결정은 양이온과 음이온이 결정의 에너지를 최소화할 수 있도록 공간에 규칙적으로 배열되어 3차원적인 격자구조를 이루고 있으며, 격자의 형태는 결정을 이루는 이온들의 반지름에 따라 달라지게 된다.

② 공유결합: 결합을 이루는 2개의 원자간에 공유된 전자쌍으로부터 유래되는 인력이다. 각각의 원자가 1개의 전자를 공급하여 1개의 전자쌍을 만들어 공유할 경우를 단일결합이라 하고, 둘 또는 셋 전자쌍을 공유할 경우를 각각 ·이라고 한다. 수소 분자는 수소 원자 간의 단일결합으로 이루어져 있고, 에틸렌에 있어서 탄소 간의 결합은 이중결합, 아세틸렌의 탄소 간 결합은 삼중결합이다. 전자쌍의 두 전자가 한 원자로부터 공급되어 이루어지는 공유결합은 특히 배위공유결합이라고 하며, 산-염기 반응과 착이온 형성 때 자주 나타난다.

③ 금속결합: 모든 금속에서 나타나는 결합이다. 금속의 원자가전자는 금속 격자 내에서 자유로이 이동할 수 있는 로 작용한다고 볼 수 있으며, 자유전자와 금속이온 간의 인력에 의해 금속결정이 결합되어 있는 것이다. 자유전자의 존재로 인하여 금속은 열과 전기에 대해 좋은 전기도체로 작용한다.

④ 배위결합: 공유결합을 하는 두 원자 중 한쪽 원자의 고립전자쌍을 상대 원자가 공유함으로써 생기는 결합이다.