이온결합과 공유결합

1. 팔전자 규칙

이미지출처_Octet Rule: Definition and Examples

화학 결합의 기본 원리는 팔전자 규칙(octet rule)이다. 대부분의 원자들은 안정한 전자 배치를 이루기 위해 최외각 껍질에 8개의 전자를 채우려는 성질이 있다. 이를 위해 원자들은 전자를 잃거나 얻거나 공유하면서 이온결합 또는 공유결합을 형성한다.

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2. 이온결합

A. 이온의 형성

이온결합(Ionic Bond)은 전자를 주고받으며 형성되는 결합이다. 금속 원자는 전자를 잃어 양이온(cation)이 되고, 비금속 원자는 전자를 얻어 음이온(anion)이 된다.
예를 들어, 나트륨(Na)은 전자를 하나 잃어 Na⁺가 되고, 염소(Cl)는 전자를 하나 얻어 Cl⁻가 된다. 이처럼 반대 전하를 띠는 이온들이 정전기적 인력(쿨롱 힘)에 의해 결합하는 것이 이온결합이다.

이미지출처_kids.britannica.com/students/assembly/view/92139

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B. 이온결합의 예시: 염화나트륨(NaCl)

나트륨과 염소가 결합하여 염화나트륨(NaCl)을 형성하는 과정을 살펴보자.

1. 나트륨(Na)은 전자를 하나 잃어 Na⁺(양이온)이 된다.
2. 염소(Cl)는 전자를 하나 받아 Cl⁻(음이온)이 된다.
3. 서로 반대 전하를 띠는 Na⁺와 Cl⁻이 강하게 끌어당기면서 이온결합을 형성한다.
4. 이온들이 규칙적으로 배열되면서 결정 구조를 형성하여 단단한 고체 상태가 된다.

이러한 이온결합 물질들은 높은 녹는점과 끓는점을 가지며, 물에 녹아 전해질이 되어 전기를 잘 전달한다.

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C. 이온결합의 특징

• 고체 상태에서 강한 결합력을 가지며 결정 구조를 형성함
• 물에 녹으면 이온이 자유롭게 이동하여 전류가 흐름 (전해질 성질)
• 전기음성도 차이가 크다(약 1.7 이상)

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3. 공유결합

이미지출처_Covalent Bond: Definition, Types, and Examples

 
이온결합과 달리 공유결합(Covalent Bond)은 원자들이 전자를 서로 공유하면서 결합하는 방식이다. 주로 비금속 원소들끼리 결합할 때 나타난다.
 

A. 비극성 공유결합

비극성 공유결합(Nonpolar Covalent Bond)은 결합하는 원자들이 같은 전기음성도를 가질 때 형성된다. 즉, 전자가 한쪽으로 치우치지 않고 균등하게 공유된다.

이미지출처_Nonpolar Covalent Bond: Definition and Examples

 

1. 수소 분자(H₂): 두 개의 수소 원자가 각자의 전자를 공유하여 H-H 결합을 형성한다.
2. 플루오린 분자(F₂): 플루오린 원자 두 개가 전자를 공유하여 F-F 결합을 형성한다.

이러한 분자들은 전기적 극성이 없으며, 물과 잘 섞이지 않는 성질이 있다.

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B. 극성 공유결합

극성 공유결합(Polar Covalent Bond)은 결합하는 원자들의 전기음성도 차이가 있을 때 형성된다. 전자가 전기음성도가 큰 원자 쪽으로 더 끌려가면서 부분적인 전하(δ⁺, δ⁻)를 띠게 된다.

이미지출처_Polar Covalent Bond: Definition and Examples

 

1. 염화수소(HCl): 염소(Cl)는 수소(H)보다 전기음성도가 크므로, 공유된 전자가 염소 쪽으로 치우친다. 결과적으로 H는 부분적으로 양전하(δ⁺), Cl은 부분적으로 음전하(δ⁻)를 띠게 된다.
2. 물(H₂O): 산소(O)는 수소(H)보다 전기음성도가 크므로, 공유된 전자가 산소 쪽으로 더 끌려간다. 물 분자는 전체적으로 극성을 띠며, 수소 결합을 형성할 수 있다.

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C. 공유결합의 예시: 물(H₂O), 암모니아(NH₃), 메탄(CH₄)

공유결합을 통해 다양한 분자들이 형성된다.

이미지출처_The following electrostatic potential diagrams represent CH4, NH3, or H2O. Label each, and explain your choices. ❘ Homework.Study.com

 

• 물(H₂O): 산소는 두 개의 전자를 공유하여 두 개의 결합을 형성한다.
• 암모니아(NH₃): 질소는 세 개의 전자를 공유하여 세 개의 결합을 형성한다.
• 메탄(CH₄): 탄소는 네 개의 전자를 공유하여 네 개의 결합을 형성한다.

이처럼 공유결합은 전자쌍을 공유하여 분자를 형성하는 결합이다.

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4. 전기음성도와 결합의 유형

전기음성도(Electronegativity)는 원자가 결합 전자를 끌어당기는 능력을 의미한다. 전기음성도의 차이에 따라 결합의 유형이 결정된다.

결합 유형	전기음성도 차이	예시
이온결합	1.7 이상	NaCl, KBr
극성 공유결합	0.4 ~ 1.7	HCl, H₂O
비극성 공유결합	0 ~ 0.4	O₂, CH₄

• 이온결합: 큰 전기음성도 차이로 인해 전자가 완전히 이동
• 극성 공유결합: 전자가 한쪽으로 부분적으로 치우침
• 비극성 공유결합: 전자가 균등하게 공유됨

이미지출처_Illustrated Glossary of Organic Chemistry - Electronegativity

 
이를 통해, 분자의 화학적 성질과 물리적 성질을 예측할 수 있다.

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5. 결합의 연속성

이온결합과 공유결합은 원자들이 안정한 전자 배치를 이루기 위해 형성하는 대표적인 화학 결합이다.

• 이온결합은 전자를 주고받으며 형성되며, 강한 전기적 인력으로 결합한다.
• 공유결합은 전자를 공유하면서 형성되며, 비극성 또는 극성을 띠게 된다.
• 전기음성도 차이를 통해 결합의 성질을 예측할 수 있다.

결합은 연속적인 개념으로 볼 수 있으며, 전기음성도 차이에 따라 성질이 변화한다.

• 이온결합(K⁺F⁻, Na⁺Cl⁻) → 극성 공유결합(O-H, N-H) → 비극성 공유결합(C-H, C-C)
• 전기음성도 차이: 3.2 > 2.1 > 1.4 > 0.9 > 0.4 > 0

이처럼 이온결합과 공유결합은 완전히 분리된 개념이 아니라 연속적인 범위에서 존재한다.

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<출  처>
Octet Rule: Definition and Examples

Octet Rule: Definition and Examples

 

ionic bond: sodium chloride, or table salt

 
 

Covalent Bond: Definition, Types, and Examples

 
 

Nonpolar Covalent Bond: Definition and Examples

 
 

Polar Covalent Bond: Definition and Examples

 
The following electrostatic potential diagrams represent CH4, NH3, or H2O. Label each, and explain your choices. | Homework.Study.com