전기음성도와 결합 유형: HSC 화학 가이드

수소 기체 \(\ce{H2}\), 염화수소 \(\ce{HCl}\), 염화나트륨 \(\ce{NaCl}\)은 모두 원자 사이의 인력을 포함한다. 그런데도 H-H 결합은 무극성 공유 결합, H-Cl 결합은 극성 공유 결합, Na-Cl 결합은 주로 이온 결합이라고 설명한다. 무엇이 달라지는 것일까?

계속 읽기 전에 먼저 예측해 보자. 결합한 두 원자가 결합 전자를 똑같이 강하게 끌어당긴다면, 그 전자들은 대부분의 시간을 어디에서 보내게 될까? 이제 한 원자가 훨씬 더 강하게 끌어당긴다고 상상해 보자. 이 두 질문에 대한 답이 전기음성도의 기본 개념이다.

01결합 전자를 끌어당기는 힘부터 살펴보기

공유 결합에서는 두 원자가 한 쌍의 전자를 공유한다. 여기서 “공유한다”는 말이 반드시 “똑같이 나눈다”는 뜻은 아니다.

두 사람이 이불의 양쪽 끝을 잡고 있다고 생각해 보자. 두 사람이 똑같은 힘으로 당기면 이불은 대략 가운데에 머문다. 한 사람이 더 세게 당기면 이불이 그 사람 쪽으로 더 많이 이동한다.

전기음성도도 이와 조금 비슷하다. 전기음성도는 원자가 결합 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는 능력을 나타낸다.

물론 이 비유에는 한계가 있다. 전자는 한곳에 고정되어 있는 천 조각이 아니며, 매우 강한 이온 결합도 한 원자가 전자를 영구적으로 완전히 소유한다고 설명하는 것이 완벽하지는 않다. 이 비유에서 유용한 부분은 단순히 서로 경쟁한다는 점이다. 결합한 원자들은 공유된 전자 밀도를 서로 다른 정도로 끌어당길 수 있다.

전기음성도가 높다는 것은 무엇을 의미할까?

전기음성도가 높은 원자는 결합 전자를 자기 쪽으로 강하게 끌어당긴다.

전기음성도가 낮은 원자는 그 결합 전자를 끌어당기는 힘이 더 약하다.

주기율표에서 전기음성도는 일반적으로:

• 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 증가한다
• 같은 족에서 아래로 내려갈수록 감소한다
• 주기율표 오른쪽 위에 있는 플루오린 부근에서 가장 높다

앞에서 배운 두 가지 개념을 기억하면 이를 이해할 수 있다. 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 핵전하가 증가하지만 결합 전자는 대체로 같은 주양자 에너지 준위에 있다. 같은 족에서 아래로 내려갈수록 전자 껍질이 추가되어 거리와 차폐 효과가 증가한다.

02전기음성도 차이는 결합이 얼마나 불균등한지를 알려 준다

원자 \(A\)와 \(B\)의 전기음성도가 각각 \(\chi_A\)와 \(\chi_B\)라고 하자. 전기음성도 차이는

\[ \Delta EN = |\chi_A-\chi_B| \]

이다.

절댓값 기호는 뺄셈의 결과가 양수인지 음수인지가 아니라, 차이의 크기만 중요하다는 뜻이다.

전기음성도 값은 무차원량이므로 \(\Delta EN\)에는 단위가 없다.

차이가 클수록 한 원자가 전자 밀도를 자기 쪽으로 더 강하게 끌어당긴다.

이를 통해 다음과 같은 유용한 연속적인 경향을 알 수 있다.

이 경계값들은 자연 법칙이 아니라 경험적인 기준이다. 표나 교과서에 따라 경계값이 조금씩 다를 수 있다. 결합은 연속적인 스펙트럼을 이루므로, \(\Delta EN=1.70\)에서 보이지 않는 스위치가 갑자기 켜져 공유 결합이 이온 결합으로 바뀐다고 생각해서는 안 된다.

HSC 문제에서는 가능하면 문제에서 제시한 전기음성도 값이나 결합 분류 기준을 사용하라. 더 중요한 것은 그 경향을 설명하는 것이다. 전기음성도 차이가 클수록 결합의 극성이 커지고 이온성도 커진다.

03무극성 공유 결합: 어느 원자도 줄다리기에서 이기지 못하는 경우

\(\ce{Cl2}\)를 생각해 보자.

두 염소 원자는 전기음성도가 정확히 같다. 따라서,

\[ \Delta EN = |3.16-3.16|=0 \]

이다.

어느 염소 원자도 다른 원자보다 결합 전자를 더 강하게 끌어당기지 않는다.

따라서 전자 밀도는 두 원자 사이에 대칭적으로 분포하며, 무극성 공유 결합이 형성된다.

이는 \(\ce{H2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{F2}\)처럼 같은 종류의 원자 두 개가 결합할 때 자동으로 나타난다.

서로 다른 원자도 전기음성도가 매우 비슷하면 그 결합을 대략 무극성으로 취급할 수 있다.

04극성 공유 결합: 전자는 공유되지만 균등하게 공유되지는 않는다

이제 \(\ce{HCl}\)을 생각해 보자.

염소는 수소보다 상당히 전기음성도가 높다.

\[ \Delta EN = |3.16-2.20|=0.96 \]

전자들은 여전히 공유되고 있으므로 이 결합은 공유 결합이다. 그러나 전자 밀도는 염소 쪽으로 치우쳐 있다.

이러한 불균등한 분포는 부분 전하를 만든다.

\[ \ce{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

그리스 문자 델타인 \(\delta\)는 “부분적인”이라는 뜻이다. 염소가 완전한 \(-1\) 전하를 얻은 것도 아니고, 수소가 완전한 \(+1\) 전하를 얻은 것도 아니다. 이 결합은 완전히 균등한 공유와 완전한 전하 분리 사이 어딘가에 있다.

염소 쪽은 전자 밀도가 더 크기 때문에 \(\delta-\)가 된다. 수소 쪽은 전자 밀도가 감소했기 때문에 \(\delta+\)가 된다.

이것이 극성 공유 결합이다.

흔한 실수 중 하나는 전체 전자 수가 더 많은 원자에 음의 부분 전하를 부여하는 것이다. 그것은 올바른 기준이 아니다. 전기음성도를 비교해야 한다. 전기음성도가 더 큰 원자가 \(\delta-\) 쪽이 된다.

05이온 결합: 전기음성도 차이가 매우 커질 때

이제 나트륨과 염소를 비교해 보자.

나트륨의 전기음성도를 0.93, 염소의 전기음성도를 3.16이라고 하면,

\[ \Delta EN = |3.16-0.93|=2.23 \]

이다.

이는 H-Cl에서의 차이보다 훨씬 크다.

간단한 모델에서는 나트륨이 전자를 잃어 \(\mathrm{Na}^{+}\)를 형성하고, 염소는 전자를 얻어 \(\mathrm{Cl}^{-}\)를 형성한다고 설명한다.

\[ \ce{Na -> Na+ + e-} \]

\[ \ce{Cl + e- -> Cl-} \]

그다음 서로 반대 전하를 띠는 이온들이 정전기적 힘으로 서로 끌어당긴다. 고체 염화나트륨에서는 이 인력이 각각 분리된 작은 \(\ce{NaCl}\) 분자를 만드는 것이 아니라, 거대한 3차원 이온 격자 전체에 걸쳐 작용한다.

따라서 “이온 결합은 전자가 이동하는 결합이다”라고만 말하면 불완전하다. 전자 이동은 이온이 형성되는 과정을 설명한다. 이온 결합 자체는 서로 반대 전하를 띤 이온 사이의 정전기적 인력이다.

06결합은 세 개의 완전히 분리된 세계가 아니라 연속적인 스펙트럼이다

무극성 공유 결합, 극성 공유 결합, 이온 결합이라는 구분은 유용하지만, 자연에서 결합이 세 가지 완전히 분리된 범주로 나뉘는 것은 아니다.

결합에 참여한 한 원자의 전기음성도가 점차 증가한다고 상상해 보자. 전자 밀도는 점차 그 원자 쪽으로 이동할 것이다. 전기음성도 차이가 특정 소수값을 넘는 순간 갑자기 특별한 변화가 일어나는 것은 아니다.

따라서 가장 유용한 사고 모델은 다음과 같다.

\[ \text{균등한 공유} \longrightarrow \text{불균등한 공유} \longrightarrow \text{전하 분리 증가} \]

또는 결합의 용어로 쓰면,

\[ \text{무극성 공유 결합} \longrightarrow \text{극성 공유 결합} \longrightarrow \text{이온성 증가} \]

이다.

따라서 교과서의 경계값에 가까운 결합을 지나치게 정밀하게 분류해서는 안 된다.

\(\Delta EN=1.69\)인 결합이 \(\Delta EN=1.71\)인 결합과 근본적으로 완전히 다르다고 주장하는 것은 화학적으로 적절하지 않다. 전기음성도를 증거로 사용하되, 물질에 대한 다른 정보가 있다면 그것도 함께 고려해야 한다.

07가장 빠지기 쉬운 오개념: 이온 결합에서는 전자가 완전히 사라진다

학생들은 금속이 비금속에 전자를 건네주는 그림을 자주 접한다. 이 모델은 이온 형성을 설명하기 때문에 유용하다.

하지만 이를 지나치게 문자 그대로 해석하면 오해를 일으킬 수 있다.

실제 전자 밀도는 각 원자가 완벽하게 소유하는 꾸러미처럼 나뉘어 있지 않다. 우리가 이온성이라고 분류하는 물질에도 어느 정도 공유 결합적 성격이 있을 수 있으며, 강한 극성 공유 결합도 상당한 전하 분리를 보일 수 있다.

그렇다면 시험에서는 어떻게 표현해야 할까?

전기음성도 차이가 크다면 그 결합이 강한 이온성을 가진다고 말하고, 그 물질을 정전기적 인력으로 결합된 반대 전하의 이온으로 모델링할 수 있다고 설명하는 것이 적절하다. 전기음성도만으로 완전한 전자 이동이 일어났다고 확정적으로 주장하는 것은 피해야 한다.

08결합 극성은 분자 극성과 같지 않다

이 차이를 혼동하면 피할 수 있는 실수를 많이 하게 된다.

전기음성도 차이는 개별 결합이 극성인지 알려 준다. 하지만 이것만으로는 전체 분자가 극성인지 알 수 없다.

예를 들어 이산화탄소의 각 C-O 결합은 산소가 탄소보다 전기음성도가 높기 때문에 극성이다. 그러나 \(\ce{CO2}\)는 선형 구조이다.

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

두 결합 쌍극자는 서로 반대 방향을 가리키며 상쇄된다.

따라서 \(\ce{CO2}\)에는 극성 공유 결합이 있지만, 분자 전체는 무극성이다.

이는 전기음성도와 모순되지 않는다. 단지 다음 질문으로 넘어간다는 뜻이다. 각 결합의 극성을 알았다면, 그 결합들이 3차원 공간에서 어떻게 배열되어 있는가?

09빠른 판단 과정

서로 결합한 두 원자가 주어지고 결합 종류를 묻는 문제에서는 다음과 같이 판단하라.

1. 각 원자의 전기음성도를 찾는다.
2. 절댓값 차이를 사용하여 \(\Delta EN\)을 계산한다.
3. \(\Delta EN\)의 크기를 이용해 전자 공유가 얼마나 불균등한지 판단한다.
4. 전기음성도가 더 큰 원자를 찾는다. 극성 공유 결합에서는 그 원자가 \(\delta-\)가 된다.
5. 수치 경계값은 절대적인 값이 아니라 대략적인 기준으로 취급한다.
6. 문제에서 전기 전도성이나 녹는 성질과 같은 물리적 증거가 주어지면, 그 증거도 함께 사용한다.

핵심은 \(0.4\)와 \(1.7\)을 외우는 것이 아니다. 핵심은 이 숫자들이 무엇을 나타내는지 이해하는 것이다. 즉, 결합 전자를 끌어당기는 힘의 차이가 얼마나 커졌는가를 나타낸다.

10문제와 풀이

문제 1

인의 전기음성도는 2.19이고 염소의 전기음성도는 3.16이다. P-Cl 결합을 분류하고 어느 원자가 부분 음전하를 띠는지 구하라.

풀이 1

P-Cl 결합은 극성 공유 결합이며, 염소가 부분 음전하를 띤다.

전기음성도 차이는

\[ \Delta EN=|3.16-2.19|=0.97 \]

이다.

\(0.97\)의 차이는 전자가 눈에 띄게 불균등하게 공유된다는 것을 나타내지만, 일반적인 근사 기준을 사용하면 이 결합을 주로 이온 결합이라고 설명할 만큼 크지는 않다.

염소가 더 전기음성도가 높으므로 결합 전자 밀도를 자기 쪽으로 끌어당긴다.

\[ \ce{P^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

중요한 추론은 부분 전하의 부호가 어느 원자의 전기음성도가 더 큰가에 따라 결정된다는 점이다. 화학식에서 어느 원자가 먼저 쓰였는지는 기준이 아니다.

문제 2

다음 전기음성도를 사용하라.

• 수소: 2.20
• 황: 2.58
• 산소: 3.44

S-H 결합과 O-H 결합을 비교하라.

어느 결합의 극성이 더 크며, 각 결합에서 어느 원자가 \(\delta-\)인가?

풀이 2

O-H 결합의 극성이 더 크다. S-H에서는 황이 \(\delta-\)이고, O-H에서는 산소가 \(\delta-\)이다.

S-H의 경우,

\[ \Delta EN=|2.58-2.20|=0.38 \]

이다.

O-H의 경우,

\[ \Delta EN=|3.44-2.20|=1.24 \]

이다.

O-H 결합의 전기음성도 차이가 더 크므로 결합 전자가 훨씬 더 불균등하게 공유된다.

S-H에서는 황이 수소보다 전기음성도가 약간 더 높으므로 전자 밀도가 황 쪽으로 이동한다.

O-H에서는 산소가 수소보다 전기음성도가 상당히 더 높으므로 전자 밀도가 산소 쪽으로 이동한다.

흔히 빠지는 함정은 두 결합 모두 수소를 포함하므로 극성이 같다고 말하는 것이다. 결합 극성은 한 원자의 종류만이 아니라 두 원자 사이의 전기음성도 차이에 의해 결정된다.

문제 3

한 학생이 어떤 결합의 전기음성도 차이를 정확히 \(1.70\)으로 계산하고 다음과 같이 썼다.

“\(1.70\)은 이온 결합의 경계값이므로, 이 결합은 확실히 이온 결합이며 공유 결합적 성격은 전혀 없다.”

이 학생의 결론을 평가하라.

풀이 3

이 학생의 결론은 지나치게 단정적이다. 전기음성도 차이가 \(1.70\)이면 결합이 관례적인 경계 부근에 있다는 뜻이므로, 전기음성도만으로 이 결합이 공유 결합적 성격 없이 완전히 이온성이라고 주장할 수는 없다.

\(0.4\)나 \(1.7\)과 같은 값은 대략적인 분류 기준이다. 이 값들은 전자 분포가 연속적으로 변화하는 양상을 설명하는 데 도움을 준다.

\(\Delta EN=1.69\)인 결합이 \(\Delta EN=1.70\)이나 \(1.71\)인 결합과 갑자기 근본적으로 다른 물리적 대상이 되는 것은 아니다.

더 적절한 결론은 이 결합이 상당한 극성과 뚜렷한 이온성을 가진다는 것이다. 물질의 구조, 녹는 성질, 전기 전도성과 같은 추가 증거가 주어지면, 그 증거도 물질을 어떤 모델로 가장 잘 설명할 수 있는지 판단하는 데 함께 사용해야 한다.

이 오개념은 교실에서 편리하게 사용하는 경계값을 정확한 자연 법칙처럼 취급하는 데서 생긴다.

문제 4

가상의 고체 \(\ce{MX}\)는 서로 다른 두 원소로 이루어져 있으며, 두 원소의 전기음성도 차이는 \(1.55\)이다.

한 학생은 따라서 이 고체가 서로 분리된 극성 공유 결합 분자로 이루어져 있을 것이라고 예측했다.

실험 관찰 결과 이 고체는:

• 녹는 온도가 높고
• 고체 상태에서는 전기를 전도하지 않으며
• 용융 상태에서는 전기를 전도한다

모든 증거를 종합할 때 분자성 공유 결합 고체와 이온 격자 중 어느 모델이 더 잘 뒷받침되는가? 전기음성도 계산만으로 충분하지 않았던 이유를 설명하라.

풀이 4

모든 증거를 종합하면 이온 격자 모델이 더 잘 뒷받침된다.

\(\Delta EN\)이 \(1.55\)이면 단순한 수치 기준으로는 강한 극성 공유 결합적 성격을 나타내는 영역에 가깝다고 볼 수 있다. 하지만 경계값은 어디까지나 근사값이다.

물리적 관찰은 구조에 대해 더 강한 증거를 제공한다.

높은 녹는 온도는 극복하는 데 상당한 에너지가 필요한 강한 정전기적 인력이 존재한다는 설명과 일치한다. 또한 고체 상태에서 전기를 전도하지 않는 것도 이온 격자에서 예상되는 특성이다. 이온이 고정된 위치에 있기 때문이다.

물질이 녹으면 이온들이 이동할 수 있게 된다. 따라서 용융된 물질에서는 전하를 띤 입자가 물질 속을 이동할 수 있으므로 전기를 전도할 수 있다.

단순한 분자성 공유 결합 물질은 일반적으로 단지 녹는 것만으로 이동 가능한 하전 입자가 생기지는 않는다.

여기서의 함정은 전기음성도 수치 하나가 다른 모든 관찰 결과보다 우선한다고 가정한 것이다. 전기음성도 차이는 결합의 성격에 대한 증거이지, 실험 데이터를 대신하는 완벽한 판별법은 아니다.

문제 5

다음 전기음성도를 사용하라.

• 탄소: 2.55
• 질소: 3.04
• 플루오린: 3.98

\(\ce{CF4}\) 분자는 정사면체 구조이며 완벽하게 대칭이다. \(\ce{NF3}\) 분자는 삼각뿔형 구조이다.

C-F 결합의 극성과 N-F 결합의 극성을 비교한 다음, 각 분자 전체가 극성인지 무극성인지 판단하라.

풀이 5

C-F 결합의 극성이 N-F 결합보다 더 크지만, \(\ce{CF4}\)는 전체적으로 무극성이고 \(\ce{NF3}\)는 전체적으로 극성이다.

먼저 전기음성도 차이를 계산한다.

C-F의 경우,

\[ \Delta EN=|3.98-2.55|=1.43 \]

이다.

N-F의 경우,

\[ \Delta EN=|3.98-3.04|=0.94 \]

이다.

두 결합 모두 극성 공유 결합이며, 두 경우 모두 플루오린이 \(\delta-\)이다. C-F 결합의 전기음성도 차이가 더 크므로 결합 극성도 더 크다.

하지만 분자의 극성은 결합 극성과 분자 모양 모두에 의해 결정된다.

정사면체 구조의 \(\ce{CF4}\)에서는 동일한 네 개의 C-F 결합 쌍극자가 대칭적으로 배열되어 있다. 이들의 효과가 서로 상쇄되므로 분자 전체의 쌍극자는 없고, 따라서 무극성이다.

삼각뿔형 구조의 \(\ce{NF3}\)에서는 세 개의 N-F 결합 쌍극자가 완전히 상쇄되지 않는다. 따라서 분자 전체에 쌍극자가 존재하며 극성이다.

쉽게 빠질 수 있는 실수는 매우 극성인 결합을 포함하는 분자는 반드시 그 자체도 극성이라고 가정하는 것이다. 전기음성도는 먼저 각 결합에 대해 알려 준다. 분자의 기하 구조가 그 결합 쌍극자들이 서로 강화되는지, 아니면 상쇄되는지를 결정한다.

전기음성도를 이용해 결합 극성을 예측할 수 있게 되었다면, 다음으로 유용한 단계는 그 정보를 분자 모양과 결합하는 것이다. 이렇게 하면 분자 전체의 극성을 예측할 수 있고, 이는 다시 분자 간 힘, 끓는 온도, 용해도 및 HSC Chemistry의 이후 단원에서 다루는 여러 물리적 성질을 설명하는 데 도움이 된다.