공유 결합 네트워크 구조: 다이아몬드, SiO2와 분자

산소가 든 용기에는 기체가 들어 있을 수 있지만, 다이아몬드는 매우 단단한 고체입니다. 둘 다 공유 결합과 관련되어 있습니다. 그렇다면 왜 성질이 이렇게 다를까요?

계속 읽기 전에 한 가지 예측을 해 보세요. 이것은 산소의 공유 결합은 약하고 다이아몬드의 공유 결합은 강하다는 뜻일까요?

그렇게 생각하기 쉽지만, 중요한 부분을 놓친 것입니다. 차이는 단순히 하나의 공유 결합이 얼마나 강한가에 있지 않습니다. 중요한 것은 공유 결합이 어디에 존재하는가입니다. 분자 물질에서는 강한 공유 결합이 서로 분리된 분자를 만들고, 그 분자들 사이에는 분자 간 힘이 작용합니다. 공유 결합 네트워크에서는 공유 결합이 거대한 구조 전체에 걸쳐 이어집니다.

이 하나의 구조적 차이만으로도 예측해야 하는 대부분의 성질을 설명할 수 있습니다.

01먼저 물어볼 것: 서로 분리된 분자가 있는가?

조금 어색한 학교 무도회를 상상해 보세요.

분자 공유 결합 물질에서는 사람들이 짝을 이루어 입장합니다. 각 짝은 서로 단단히 붙잡고 있는데, 이는 분자 내부의 강한 공유 결합을 나타냅니다. 서로 다른 짝들은 훨씬 느슨하게 상호작용하는데, 이는 분자 사이의 분자 간 힘을 나타냅니다.

모두가 더 자유롭게 움직일 만큼 충분한 에너지를 얻더라도, 모든 짝을 갈라놓을 필요는 없습니다. 주로 서로 다른 짝 사이의 더 약한 인력을 극복하면 됩니다.

공유 결합 네트워크는 다릅니다. 방 안의 모든 사람이 여러 다른 사람과 연결되어 하나의 거대한 연결 구조를 이루고 있다고 상상해 보세요. 서로 단순히 떨어져 나갈 수 있는 작은 집단들이 따로 존재하지 않습니다. 구조를 분리하려면 네트워크 전체에 걸친 강한 연결을 방해해야 합니다.

이 비유에는 한계가 있습니다. 화학 결합은 실제 기계적인 연결이 아니며, 분자 간 힘은 막연한 사회적 어색함이 아니라 실제 정전기적 상호작용입니다. 하지만 이 비유가 강조하는 구분은 정확하고 중요합니다.

• 분자 공유 결합 물질은 서로 분리된 개별 분자를 포함합니다
• 공유 결합 네트워크 물질은 공유 결합으로 연결된 원자들이 확장된 네트워크를 이룹니다

공유 결합 네트워크를 거대 공유 결합 구조라고 표현하는 경우도 있습니다.

02분자 공유 결합 물질에는 두 수준의 인력이 있습니다

이산화 탄소, \(\ce{CO2}\)를 생각해 봅시다.

각 이산화 탄소 분자 내부에서는 탄소 원자와 산소 원자가 강한 공유 결합으로 연결되어 있습니다.

\[ \ce{O=C=O} \]

그러나 한 \(\ce{CO2}\) 분자가 다음 \(\ce{CO2}\) 분자와 공유 결합으로 연결되어 있는 것은 아닙니다. 대신 분자들 사이에는 분자 간 힘이 작용합니다.

따라서 서로 구분해서 살펴봐야 할 두 가지가 있습니다.

이 구분은 상태 변화에서 매우 중요합니다.

분자 물질이 분해되지 않고 녹거나 끓을 때, 분자들은 서로 떨어지거나 더 자유롭게 움직이게 됩니다. 분자 내부의 공유 결합은 일반적으로 그대로 유지됩니다. 극복되는 것은 분자 간 인력입니다.

따라서 “공유 결합 물질은 공유 결합이 약하기 때문에 녹는점이 낮다”라고 말하는 것은 잘못입니다.

공유 결합 자체가 약한 것이 아닙니다. 분자 물질을 녹이거나 끓이기 위해서는 보통 그 공유 결합을 끊을 필요가 없습니다.

03공유 결합 네트워크에는 서로 떼어낼 개별 분자가 없습니다

이제 다이아몬드를 생각해 봅시다.

다이아몬드는 작은 \(\ce{C4}\), \(\ce{C20}\) 또는 다른 탄소 분자들이 서로 모여 있는 구조가 아닙니다. 각 탄소 원자는 3차원 배열에서 다른 탄소 원자 네 개와 공유 결합을 이룹니다.

그 이웃 탄소 원자들은 또 다른 탄소 원자들과 결합하고, 그 원자들은 다시 더 많은 탄소 원자들과 결합합니다. 이 패턴은 결정 전체에 걸쳐 계속됩니다.

따라서 하나의 “다이아몬드 분자”가 끝나고 다음 분자가 시작된다고 할 수 있는 유용한 경계는 없습니다.

다이아몬드는 왜 그렇게 단단한가?

한 원자층을 다른 원자층 너머로 밀어 움직이려고 한다고 생각해 봅시다.

분자 고체에서는 분자 간 인력이 극복되면 분자들이 서로에 대해 상대적으로 움직일 수 있습니다.

다이아몬드에는 약하게 결합된 별도의 분자층이 없습니다. 탄소 원자들은 강한 공유 결합으로 이루어진 단단한 3차원 네트워크 안에 고정되어 있습니다.

따라서 구조를 변형하려면 강한 결합에 저항하거나 그 결합을 방해해야 합니다. 이것이 다이아몬드의 매우 높은 경도를 만들어 냅니다.

경도는 인성과 같은 뜻이 아닙니다. 어떤 물질은 긁힘에는 매우 강하게 저항하면서도 적절한 힘이 가해지면 파괴될 수 있습니다. 화학 문제에서는 어떤 성질을 다루고 있는지 정확히 구분해야 합니다.

다이아몬드의 구조를 무너뜨리려면 왜 극한의 온도가 필요한가?

서로 분리된 다이아몬드 분자들을 붙잡고 있는 약한 분자 간 인력은 존재하지 않습니다. 애초에 서로 분리된 다이아몬드 분자가 없기 때문입니다.

구조에서 원자들을 분리하려면 네트워크 전체에 걸친 공유 결합을 방해해야 합니다. 이는 일반적인 분자 물질에서 분자 간 힘을 극복하는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 필요로 합니다.

그래서 거대 공유 결합 구조는 일반적으로 용융, 분해 또는 기화와 관련된 온도가 매우 높습니다.

다이아몬드는 왜 전기를 전도하지 않는가?

물질이 전기를 전도하려면 물질 내부를 이동할 수 있는 하전 입자가 있어야 합니다.

다이아몬드에서는 원자가 전자들이 공유 결합에 국소화되어 있습니다. 이동 가능한 이온도 없고, 자유롭게 움직일 수 있는 비편재화 전자도 없습니다.

따라서 다이아몬드는 전기 절연체입니다.

이 추론 방식에 주목하세요. 우리는 **”공유 결합 물질이므로 전도할 수 없다”**라고 말하지 않았습니다. 더 나은 규칙은 다음과 같습니다.

이동 가능한 전하 운반체가 있는지 확인하세요.

이 규칙은 외워 둔 구조-성질 목록보다 훨씬 더 다양한 화학 문제에 적용할 수 있습니다.

04이산화 규소도 공유 결합 네트워크입니다

이산화 규소, \(\ce{SiO2}\)는 학생들이 특히 자주 빠지는 함정을 제공합니다.

이 화학식을 보고 이산화 탄소처럼 생긴 분자를 떠올릴 수도 있습니다.

\[ \ce{O=Si=O} \]

그러나 석영과 같은 일반적인 고체 이산화 규소에 대해서는 이 그림이 잘못되었습니다.

이산화 규소는 확장된 3차원 네트워크를 형성합니다. 각 규소 원자는 네 개의 산소 원자와 공유 결합합니다. 각 산소 원자는 두 규소 원자 사이를 연결하는 다리 역할을 합니다.

따라서 서로 옆에 놓여 있는 별개의 \(\ce{SiO2}\) 분자들은 존재하지 않습니다.

그렇다면 화학식은 왜 \(\ce{SiO2}\)인가?

화학식은 반드시 하나의 분자에 들어 있는 원자 수를 나타내는 것이 아니라, 전체적인 원자 수의 비율을 나타냅니다.

이산화 규소에서는 다음과 같습니다.

• 각 규소는 네 개의 산소 원자와 연결되어 있습니다
• 각 산소는 두 개의 규소 원자가 공유합니다

따라서 인접한 산소 원자 네 개는 규소 원자 하나당 평균적으로

\[ \frac{4}{2}=2 \]

개의 산소 원자에 해당합니다.

따라서 전체 비율은 \(1:2\)이고, 화학식은 \(\ce{SiO2}\)가 됩니다.

이것은 중요한 구분입니다. 화학식이 있다고 해서 그 물질이 반드시 그와 정확히 같은 원자 조합을 가진 분자들로 이루어져 있다는 뜻은 아닙니다.

05다이아몬드와 이산화 규소 비교

다이아몬드와 이산화 규소는 모두 3차원 공유 결합 네트워크이지만, 두 네트워크의 구조가 완전히 같은 것은 아닙니다.

이들의 성질은 단순히 “공유 결합”이라는 말에서 나오는 것이 아니라, 결합이 구조 전체에 걸쳐 확장되어 있다는 사실에서 나옵니다.

08구조가 주요 물리적 성질을 결정하는 방식

각 물질에 대해 별도의 사실을 외우는 대신, 해당 성질이 나타나려면 물리적으로 어떤 일이 일어나야 하는지를 생각해 보세요.

녹는 것과 끓는 것

분자 공유 결합 물질이 상태를 바꾸려면 일반적으로 분자들이 서로 더 멀어지거나 더 자유롭게 움직여야 합니다.

즉, 분자 간 힘을 극복해야 합니다.

공유 결합 네트워크에는 방출할 수 있는 별도의 분자가 없습니다. 구조를 무너뜨리려면 네트워크 전체에 걸쳐 강한 공유 결합을 끊거나 재배열해야 합니다.

따라서 공유 결합 네트워크 물질의 구조를 무너뜨리는 데에는 일반적으로 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다.

“끓는점이 높다”라는 표현을 사용할 때는 주의해야 합니다. 일부 거대 공유 결합 물질은 깔끔한 액체-기체 전이를 보이기보다는 특정 조건에서 분해되거나, 구조가 변하거나, 승화할 수 있습니다. 중요한 원리는 네트워크의 원자들을 분리하려면 매우 많은 에너지가 필요하다는 것입니다.

경도

분자 고체는 분자들이 고체 전체에 걸친 공유 결합이 아니라 분자 간 힘으로 서로 붙어 있기 때문에 경도가 비교적 낮은 경우가 많습니다.

다이아몬드는 강한 공유 결합이 3차원으로 뻗어 있기 때문에 매우 단단합니다.

이산화 규소도 변형되려면 확장된 Si-O 네트워크가 방해받아야 하므로 단단합니다.

이는 일반적인 경향이지, 모든 공유 결합 네트워크가 동일한 기계적 성질을 가져야 한다는 뜻은 아닙니다. 네트워크의 구체적인 배열도 중요합니다.

전기 전도성

결합 종류만으로 전기 전도성을 결정하지 마세요.

다음과 같이 물어보세요.

이동할 수 있는 하전 입자가 있는가?

다이아몬드와 이산화 규소의 경우 답은 아니요입니다. 전자들은 결합에 국소화되어 있고, 이동 가능한 이온도 없습니다.

따라서 이들은 전기를 매우 잘 전도하지 못합니다.

이것은 또한 “모든 공유 결합 네트워크는 비전도체이다”라는 말이 지나치게 광범위한 이유를 설명합니다. 일부 공유 결합 네트워크에는 비편재화 전자가 존재할 수 있습니다. 잘 알려진 예가 흑연입니다. 탄소 원자의 배열 방식이 다르기 때문에 흑연은 다이아몬드와 다른 전기적 및 기계적 성질을 가집니다.

용해도

물질이 녹으려면 용매가 그 물질의 입자들을 서로 분리하고 안정화할 수 있어야 합니다.

경우에 따라 물은 분자들을 서로 분리할 수 있습니다. 이 과정에서는 분자 간 인력을 새로운 용질-물 인력으로 대체하기만 하면 되기 때문입니다.

3차원 공유 결합 네트워크는 훨씬 더 분리하기 어렵습니다. 떼어낼 수 있는 개별 분자가 존재하지 않기 때문에 물이 단순히 개별 분자를 하나씩 빼낼 수 없습니다.

따라서 다이아몬드와 이산화 규소는 일반적인 조건에서 물에 녹지 않습니다.

이를 “공유 결합 물질은 불용성이다”라는 규칙으로 바꾸어서는 안 됩니다. 많은 분자 공유 결합 물질은 적절한 용매에 쉽게 녹습니다. 분자의 극성과 분자 간 힘이 중요합니다.

09기억할 만한 비교

따라서 가장 빠른 HSC 판단 규칙은 다음과 같습니다.

1. 물질이 개별 분자를 포함하는지, 아니면 확장된 네트워크를 이루는지 판단합니다.
2. 문제에서 다루는 성질이 나타나려면 어떤 인력을 극복해야 하는지 확인합니다.
3. 전기 전도성의 경우에는 이동 가능한 전하 운반체가 있는지 별도로 확인합니다.
4. 성질을 기억에서 그대로 말하는 대신 구조를 이용해 그 성질을 정당화합니다.

10가장 빠지기 쉬운 오개념: “공유 결합 물질은 녹는점이 낮다”

이 문장은 매우 다른 두 구조를 혼동하고 있습니다.

학생은 다음과 같이 추론할 수 있습니다.

“공유 결합 물질에는 공유 결합이 있다. 분자 물질은 쉽게 녹는다. 따라서 공유 결합은 쉽게 끊어지는 결합일 것이다.”

잘못된 부분은 두 번째 단계에 있습니다.

분자 물질이 녹을 때 공유 결합은 일반적으로 끊어지지 않습니다. 분자 간 힘이 극복되는 동안 분자 자체는 온전하게 유지됩니다.

거대 공유 결합 구조가 무너질 때는 확장된 네트워크의 공유 결합이 실제로 방해받아야 합니다.

따라서 더 나은 비교는 다음과 같습니다.

• 분자 공유 결합: 분자 내부에는 강한 결합, 분자 사이에는 더 약한 인력
• 공유 결합 네트워크: 구조 전체에 걸쳐 이어지는 강한 공유 결합

이 구분을 통해 두 물질이 모두 공유 결합 물질이라고 설명되면서도 물리적 성질이 완전히 다를 수 있는 이유를 이해할 수 있습니다.

11문제와 풀이

문제 1

고체 염소는 서로 분리된 \(\ce{Cl2}\) 분자로 이루어져 있습니다. 고체 염소가 녹을 때 Cl-Cl 공유 결합이 끊어집니까? 설명하세요.

풀이 1

아니요. 용융 과정에서 Cl-Cl 공유 결합은 그대로 유지됩니다.

고체 염소는 분자 공유 결합 물질입니다. 각 분자는 강한 Cl-Cl 공유 결합을 포함하고 있으며, 서로 분리된 \(\ce{Cl2}\) 분자들은 분자 간 힘을 통해 서로 끌어당깁니다.

용융 과정에서는 충분한 분자 간 인력이 극복되어 분자들이 서로를 지나 움직일 수 있게 됩니다. Cl-Cl 결합을 끊으면 염소 원자가 생성되며, 이는 일반적인 물리적 용융 과정이 아니라 화학적 변화를 포함하는 것입니다.

흔히 빠지는 함정은 어떤 인력이 관련되는지 구체적으로 밝히지 않은 채 “녹을 때 결합이 끊어진다”라고 말하는 것입니다. 분자 물질의 일반적인 용융 과정에서는 각 분자 내부의 공유 결합이 아니라 주로 분자 간 힘이 극복됩니다.

문제 2

가상의 거대 공유 결합 구조가 원자 X와 Y를 포함하고 있습니다. 각 X 원자는 세 개의 Y 원자와 공유 결합하고, 각 Y 원자는 두 개의 X 원자가 공유합니다. 이 구조의 가장 간단한 화학식을 구하세요.

풀이 2

가장 간단한 화학식은 \(\ce{X2Y3}\)입니다.

X 원자가 \(N\)개 있다고 가정합시다. 각 X에는 세 개의 X-Y 연결이 있으므로

\[ 3N \]

개의 X-Y 연결이 생깁니다.

각 Y 원자는 두 개의 X 원자와 연결되어 있으므로, 각 Y는 연결 두 개에 해당합니다. 따라서 Y 원자의 수는

\[ \frac{3N}{2} \]

입니다.

비율은

\[ \text{X:Y}=N:\frac{3N}{2} \]

입니다.

양쪽에 2를 곱하면

\[ \text{X:Y}=2:3 \]

이므로 가장 간단한 화학식은

\[ \ce{X2Y3} \]

입니다.

중요한 개념은 네트워크에서 이웃 원자들이 공유된다는 것입니다. 하나의 X 주위에 Y 원자 세 개가 있다고 해서 화학식이 반드시 \(\ce{XY3}\)이어야 하는 것은 아닙니다.

문제 3

두 개의 공유 결합 고체를 조사했습니다.

물질 A는 서로 분리된 분자들로 이루어져 있으며 적당히 가열하면 녹습니다. 물질 B는 모든 원자가 인접한 원자들과 공유 결합으로 연결된 3차원 네트워크입니다.

한 학생이 “B의 녹는점이 더 높은 이유는 B의 개별 공유 결합이 A의 공유 결합보다 더 강하기 때문이다”라고 말합니다.

이 학생의 설명을 평가하세요.

풀이 3

녹는 거동에 대한 결론은 합리적일 수 있지만, 학생의 설명은 그렇지 않습니다. B의 개별 공유 결합이 더 강하다고 가정할 필요는 없습니다.

물질 A에서는 공유 결합이 각 분자 내부에서 원자들을 결합시킵니다. 용융에는 주로 서로 분리된 분자 사이의 분자 간 힘을 극복하는 것이 필요합니다.

물질 B에는 서로 분리된 분자가 없습니다. 강한 공유 결합이 3차원 네트워크 전체에 걸쳐 이어져 있습니다. 따라서 정렬된 고체 구조를 무너뜨리려면 공유 결합을 광범위하게 방해해야 합니다.

그러므로 녹는 거동의 차이는 B의 모든 개별 공유 결합이 A의 모든 공유 결합보다 강하다고 주장하지 않고도, 어떤 상호작용을 극복해야 하는가를 통해 설명할 수 있습니다.

함정은 물리적 변화에 실제로 어떤 결합이 관여하는지 판단하기 전에 결합 강도부터 비교하는 것입니다.

문제 4

어떤 미지의 고체가 단단하고, 녹는점이 매우 높으며, 고체 상태에서 전기를 전도하지 않고, 물에 녹지 않습니다.

이러한 관찰만으로 이 물질이 반드시 공유 결합 네트워크 고체라고 결론 내릴 수 있습니까? 설명하세요.

풀이 4

아니요. 이러한 관찰 결과는 공유 결합 네트워크와 일치하지만, 그 구조를 유일하게 증명하지는 못합니다.

다이아몬드나 이산화 규소와 같은 3차원 공유 결합 네트워크는 단단하고, 녹는점이 매우 높으며, 물에 녹지 않고, 전기를 전도하지 않을 수 있습니다.

하지만 일부 이온 고체도 단단하고, 녹는점이 높으며, 불용성이거나 용해도가 매우 낮고, 고체 상태에서 전기를 전도하지 않을 수 있습니다. 이온 고체에서는 이온 자체가 전하를 띠지만 위치가 고정되어 있기 때문에 격자가 고체 상태로 유지되는 동안에는 전류를 운반할 수 없습니다.

따라서 추가적인 증거가 필요합니다. 예를 들어 용융 후의 전기 전도성은 구조를 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 용융된 이온 물질에는 이동 가능한 이온이 존재하지만, 이산화 규소와 같은 일반적인 공유 결합 네트워크가 갑자기 자유롭게 움직이는 이온들로 이루어진 액체가 되는 것은 아니기 때문입니다.

숨겨진 가정은 한 가지 거시적 성질의 조합이 반드시 정확히 하나의 결합 유형에만 대응해야 한다는 것입니다. 실제로 구조를 확인할 때는 여러 가지 증거를 함께 사용해야 합니다.

문제 5

새롭게 발견된 어떤 원소의 형태에서는 강한 공유 결합이 평평한 층 전체에 걸쳐 이어져 있습니다. 인접한 층 사이에는 약한 인력만 존재합니다. 일부 전자는 비편재화되어 각 층을 따라 이동할 수 있습니다.

한 학생이 “거대 공유 결합 구조이므로 모든 방향에서 매우 단단하고 전기를 전도할 수 없을 것이다”라고 주장합니다.

이 학생의 두 주장이 반드시 옳은지 예측하세요.

풀이 5

두 주장 모두 반드시 옳은 것은 아닙니다. 이 물질은 층 사이에서 비교적 쉽게 전단될 수 있으며, 층을 따라 전기를 전도할 수도 있습니다.

각 층 내부에서는 강한 공유 결합이 결합된 원자들을 서로 떼어 놓으려는 힘에 강하게 저항할 것입니다.

그러나 층 사이에는 약한 인력만 존재합니다. 따라서 하나의 층은 다이아몬드의 3차원 네트워크 안에서 원자들이 이동하는 것보다 훨씬 쉽게 다른 층 위로 미끄러질 수 있습니다. 거대 공유 결합 구조라고 해서 자동으로 모든 방향에서 같은 경도를 가지는 것은 아닙니다.

비편재화 전자는 이동 가능한 전하 운반체를 제공합니다. 이 전자들은 층을 따라 이동할 수 있으므로, 물질이 공유 결합으로 이루어져 있음에도 전기 전도가 가능합니다.

잘못된 점은 거대 공유 결합이라는 이름 하나가 모든 성질을 결정한다고 생각하는 것입니다. 여전히 네트워크의 기하학적 구조와 전자의 거동을 살펴봐야 합니다.

문제 6

\(\ce{SiO2}\)로 이루어진 석영 결정을 매우 미세한 가루로 분쇄했습니다.

한 학생은 조각들이 이제 훨씬 작아졌기 때문에, 분쇄 과정에서 거대 공유 결합 네트워크가 서로 분리된 \(\ce{SiO2}\) 분자들로 변했을 것이라고 주장합니다.

이 결론이 잘못된 이유를 설명하세요.

풀이 6

석영을 분쇄하면 공유 결합 네트워크의 더 작은 조각들이 만들어지는 것이지, 서로 분리된 \(\ce{SiO2}\) 분자들의 집합이 만들어지는 것은 아닙니다.

결정을 부수면 새로운 표면이 생기며, 균열이 발생한 곳에서는 일부 Si-O 결합이 반드시 끊어집니다. 그러나 각각의 작은 입자 내부에서는 규소 원자와 산소 원자가 여전히 확장된 공유 결합 구조를 통해 연결되어 있습니다.

결정을 더 작게 만든다고 해서 그 결합 모형이 자동으로 바뀌는 것은 아닙니다. 미세한 입자 하나에도 네트워크로 연결된 엄청난 수의 원자가 들어 있을 수 있습니다.

화학식 \(\ce{SiO2}\)는 여전히 규소와 산소의 전체적인 \(1:2\) 비율을 나타냅니다. 이것이 갑자기 개별 입자의 분자식으로 바뀌는 것은 아닙니다.

이 구분은 이후에 이온 네트워크와 금속 구조를 배울 때도 유용합니다. 어떤 고체에 대해서든 가장 생산적인 첫 질문은 단순히 “어떤 종류의 결합을 포함하는가?”가 아닙니다. 다음과 같이 물어야 합니다. 실제로 어떤 입자나 구조 단위가 존재하는가, 무엇이 그것들을 서로 결합시키는가, 그리고 그 입자들 중 어떤 것이 이동할 수 있는가?