결합에너지

결합에너지는 결합엔탈피(bond enthalpy)라고도 하는데 화학결합의 강도를 에너지의 크기로 나타내는 값이다. 결합에너지가 클수록 결합한 정도가 강하다. 국제 순수·응용화학 연합(IUPAC)에서는 결합에너지를 기체 상태의 원자 1몰의 공유 결합을 끊어서 구성입자(원자 또는 이온)로 만드는 데 필요한 에너지로 정의한다.

결합에너지를 크게 둘로 구분할 수 있다. 즉 여러 원자가 결합하여 분자가 만들어질 때와 여러 핵자가 결합하여 원자핵이 만들어질 때로 구분할 수 있다. 물질의 분자 또는 결정이 여러 원자의 결합으로 이루어져 있을 경우, 이러한 원자 사이의 화학결합에 소요되는 에너지를 화학결합에너지라고 한다. 그 예로서, 메테인(@@NAMATH_INLINE@@CH_{4}@@NAMATH_INLINE@@)은 탄소와 수소의 결합이 4개인 분자인데, 이 분자 하나를 탄소와 수소 원자들로 분리할 때 엔탈피의 변화를 알면 그것의 1/4이 탄소와 수소 하나의 결합에너지에 해당한다.

그림 1. 메테인 (@@NAMATH_INLINE@@CH_{4}@@NAMATH_INLINE@@) (출처 : 한국물리학회)

탄소와 수소의 결합을 갖는 화합물은 다양하다. 이 각각의 화합물에서 탄소와 수소의 결합에너지를 측정하면 값이 서로 다르다. 이와 같이 특정 화합물에서 화학결합의 강도를 나타내는 것을 결합해리에너지라고 한다. 따라서 일반적으로 탄소와 수소의 결합에너지는 탄소와 수소의 결합이 포함된 여러 가지의 화합물의 탄소와 수소의 결합해리에너지의 평균치로 정의된다.

따라서 결합에너지를 결합해리에너지(bond-dissociation energy)와 구분해야 한다. 결합해리에너지는 특정 화합물에서 결합을 분리할 때 필요한 에너지이고, 결합에너지는 특정 원자간의 결합을 포함한 다양한 화학물의 결합해리에너지를 찾아서 평균한 값이기 때문이다.

특정 분자에서 동일한 종류의 결합을 끊더라도 필요한 에너지는 각기 다르다. 가령, 메테인은 4개의 탄소-수소 결합을 갖는데 하나씩 결합이 끊길 때 필요한 에너지의 양이 다르다. 처음 한 개의 결합을 끊을 때 필요한 에너지는 435 kJ/mol이다. 이 때 하나의 탄소와 수소의 결합이 끊어지고 탄소 하나에 수소 세 개가 남아있게 된다. 두 번째 444 kJ/mol가 필요하고, 세 번째는 444 kJ/mol, 마지막 결합은 339 kJ/mol의 에너지가 필요하다. 따라서 각 결합해리에너지의 평균값 414 kJ/mol가 탄소 하나와 수소 하나의 결합에너지에 해당된다.

결합에너지 또는 결합엔탈피를 알면 화학반응에 관여된 에너지 변화를 예측할 수 있다. 가령, 다음과 같은 화학반응에서 에너지 변화를 알아보자.

@@NAMATH_DISPLAY@@H_{2}(g)+F_{2}(g)\rightarrow 2HF(g)@@NAMATH_DISPLAY@@

이 화학반응은 한 개의 @@NAMATH_INLINE@@H-H@@NAMATH_INLINE@@와 한 개의 @@NAMATH_INLINE@@F-F@@NAMATH_INLINE@@ 결합이 끊어지고, 두 개의 @@NAMATH_INLINE@@H-F@@NAMATH_INLINE@@ 결합이 생성되는 반응이다. 이 반응의 에너지 변화량(@@NAMATH_INLINE@@\triangle H@@NAMATH_INLINE@@)은 1몰 당 결합에너지 정보를 이용해서 다음과 같이 계산할 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\Delta H = D_{ H-H } + D_{ F-F } -2D_{ H-F } = -544kJ@@NAMATH_DISPLAY@@@@NAMATH_DISPLAY@@D_{ H-H }=432kJ,\;D_{ F-F }=154kJ,\;D_{ H-F }=565kJ@@NAMATH_DISPLAY@@

이와 같이 여러 화학결합에 대한 결합에너지가 알려져 있으면, 이러한 결합에너지를 이용해 여러 화합물의 생성에너지를 구할 수 있다. 그렇지만 공명구조를 가지고 있는 화합물이나 이성질체의 경우에는 더 복잡한 이론을 고려할 필요가 있다. 한편, 승화열을 이용하면 결정의 결합에너지를 실험적으로 측정할 수 있다.

화학결합에너지는 극성이 클수록, 단일결합 보다는 다중결합일수록 증가한다. 예를 들어 @@NAMATH_INLINE@@HF@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@HCl@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@HBr@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@HI@@NAMATH_INLINE@@에 대해 결합의 극성은 @@NAMATH_INLINE@@HF@@NAMATH_INLINE@@ > @@NAMATH_INLINE@@HCl@@NAMATH_INLINE@@ > @@NAMATH_INLINE@@HBr@@NAMATH_INLINE@@ > @@NAMATH_INLINE@@HI@@NAMATH_INLINE@@ 순서이다. 극성이 커질수록 결합에너지가 커지므로 결합에너지도 @@NAMATH_INLINE@@HF@@NAMATH_INLINE@@ > @@NAMATH_INLINE@@HCl@@NAMATH_INLINE@@ > @@NAMATH_INLINE@@HBr@@NAMATH_INLINE@@ > @@NAMATH_INLINE@@HI@@NAMATH_INLINE@@ 순서이다.

핵자 사이의 결합에너지는 원자핵 속에서 여러 핵자가 서로 결합하여 단단한 결합체인 원자핵을 만들 때 외부로 방출된 에너지를 말한다. 역으로 원자핵을 핵자로 분리시킬 때 외부로부터 가해야 하는 에너지에 해당한다. 핵자 사이의 결합에너지 값은 원자핵을 구성하고 있는 핵자의 수(질량수)가 클수록 크지만, 핵자 한 개에 대한 평균 결합에너지는 질량수가 크다고 반드시 큰 것은 아니다. 평균 결합에너지는 질량수가 중간 정도에 해당하는 철의 원자핵(질량수 56)이 가장 크다. 철보다 무거워서 질량수가 큰 원자핵에서는 무거워질수록 이러한 평균 결합에너지는 점점 작아지고, 철보다 가벼운 원자핵에서는 가벼워질수록 비교적 급격히 평균 결합에너지는 작아지게 된다.

즉 철의 원자핵에서 개개의 핵자 사이의 결합이 가장 강한 것이고, 철보다 무겁거나 가벼운 원자핵에서는 이 결합이 비교적 약하다. 이러한 이유 때문에 우라늄 원자핵과 같은 무거운 원자핵이 분열하여 중간 정도의 질량수를 가지는 원자핵으로 변환하거나, 수소핵이나 중수소핵과 같은 가벼운 원자핵이 융합하여 무거운 원자핵이 될 때에는, 막대한 양의 에너지가 외부로 방출된다. 이러한 원리로 원자핵분열이나 원자핵융합에 의해 원자에너지(원자력)이 발생한다.