[물 및 산 염기의 화학] 물의 화학적 특성 - 2부

수소 결합

수소결합은 비공유적 상호작용의 또 다른 중요한 형태로 정전기에 의한 쌍극자-쌍극자 상호작용의 특수한 경우라 할 수 있다. 수소가 산소, 질소 또는 불소와 같은 전기 음성적 원자와 공유적으로 결합할 때 극성결합이 되도록 부분적인 양전하를 가지게 된다. 이 부분적인 양전하는 다른 전기음성적 원자의 분할되지 않는 전자쌍과 상호작용할 수 있으며 세 원자는 모두 직선에 놓이고 수소결합을 형성한다. 

이 배열은 수소에서 부분적 양전하가 가장 크게 되도록 하며 필연적으로 다른 전기 음성적 원자의 분할되지 않는 전자쌍과의 상호작용이 가장 강하게 되도록 한다. 수소가 공유적으로 결합하고 있는 전기음성적 원자를 수소결합 공여체라 하고 상호작용에서 분할되지 않는 전자쌍에 기여하는 전기음성적 원자를 수소결합 수용체라 하며 수소는 수용체에 공유적으로 결합되지 않는다.

HF, H2O 그리고 NH3에서의 수소결합 상태를 알아보자. 물은 각 분자가 많은 수소결합을 형성할 수 있는 최적의 상태로 존재하는 것으로 Fig. 1에 나타나 있다. 물은 수소결합에 참여하는 2개의 수소를 가지며 다른 물 분자가 수소결합 할 수 있는 산소에 분할되지 않는 전자쌍이 2개 있다. 

각 물 분자는 2개는 공여체로, 2개는 수용체로 4개의 수소결합을 만들 수 있다. 불화수소는 공여체로써 수소결합에 들어가는 단 하나의 수소만 가지지만 다른 수소와 결합될 수 있는 불소에 3개의 분할되지 않는 전자쌍을 가진다. 암모니아는 수소결합에 제공되는 3개의 수소를 가지지만 질소에 단 1개의 분할되지 않는 전자쌍을 가진다.

Fig. 1 HF, H2O, NH3의 수소결합 부위의 비교

수소결합된 물 분자의 기하학적 배열은 용매로서 물의 특성에 있어서 중요함을 암시한다. 물에서 결합각은 105°이며 분할되지 않는 전자쌍 사이의 각도도 비슷하기 때문에 결과적으로 물 분자는 사면체 배열을 가진다. 액체 물은 100개 이상의 물 분자가 함유된 수소결합된 배열로 이루어진다. 이 배열은 얼음 결정과 유사하며 구조를 Fig. 2에 나타내었다.

액체 물에서 이런 형태의 수소결합된 배열과 얼음 결정 구조 사이에는 약간의 차이가 있다. 액체 물에서 수소결합은 일부 분자들은 끊어져 나오고 다른 것들은 덩어리에 결합하면서 끊임없이 파괴되고 형성된다. 덩어리는 25℃ 액체 물에서 10-10∼ 10-11초에 파괴되고 재형성된다. 얼음 결정은 보다 안정한 배열의 수소결합을 가지며 물론 100분자보다 엄청나게 많은 분자를 함유한다.

Fig. 2 얼음에서 물분자의 배열

수소결합은 정상 공유결합보다 매우 약하다. O-H 공유결합을 파괴하는데 요구되는 에너지는 110kcal/mol인 반면에 물의 수소결합 에너지는 약 5kcal/mol이다. 이와 같이 비교적 작은 양의 에너지라 할지라도 융점, 비점, 얼음에 대한 물의 밀도 등과 같은 물의 특성에 매우 큰 영향을 준다. 물의 융점과 비점은 분자의 크기에서 예견될 수 있는 것보다 매우 높다. 메탄과 암모니아는 물과 비슷한 분자량을 가지지만 매우 낮은 융점과 비점을 가진다. 이들 물질의 분자사이의 인력은 물 분자 사이의 인력보다 약하다. 물에서 수소결합에 의한 인력은 얼음을 녹이거나 물을 끓일 때 극복된다.

얼음이 액체 물보다 낮은 밀도를 가지는 것은 얼음 결정에서 완전히 수소결합된 배열이 광범위하게 분포하고 이로 인하여 분자사이에 비어 있는 공간이 생기기 때문이다. 액체상태의 물은 덜 광범위하게 수소결합되어 있어서 얼음보다 큰 밀도를 가진다. 그래서 얼음 덩어리와 빙산은 물에 뜨고 액체 물이 얼음 결정으로 대체되면 결과적으로 팽창되어서 주변 물질에 손상을 주는 원인이 될 수 있다. 이와 동일한 원리가 세포를 반복적으로 동결과 용해를 거듭하여 파괴하는 방법에 사용되고 있다.

수소결합은 용매로서 물의 특성에 관계한다. 즉 극성 용질이 수소결합의 공여체 또는 수용체를 제공할 수 있으면 추가적으로 비특이적 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의하여 물과 수소결합을 형성할 수 있다. 그 한 예를 Fig. 3에 나타내었다. Alcohol, amine, carboxylic acid, ester, ether, ketone은 모두 물과 수소결합을 형성할 수 있기 때문에 물에 녹는다.

Fig. 3 물과 극성 원자단 사이의 수소결합

수소결합의 또 다른 생물학적 중요성은 DNA, RNA, 단백질을 포함한 생물학적으로 중요한 분자의 3차원적 구조를 안정화하는데 있다. DNA에서 이중나선의 두 가닥은 상보적인 염기 사이에서 수소결합에 의해 유지되고 t-RNA 역시 수소결합에 의해 안정된 복합적 3차원적 구조를 가진다. 단백질에서 수소결합은 α-helix와 β-pleated sheet 구조라는 2가지 중요한 구조의 기초를 제공한다.

[Biology/Biochemistry] - [물 및 산 염기의 화학] 물의 화학적 특성 - 1부