[화학결합과 분자구조] 이온 결합








  

Ionic Bonding



팔전자 규칙에 의하면 나트륨 원자가 안정하게 되기 위해서는 3s 오비탈에 있는 전자를 하나 잃고 네온과 같이 되든지 아니면 7개의 전자를 얻어 3s와 3p 오비탈을 모두 채움으로써 아르곤과 같이 되어야 한다. 그러나 7개의 전자를 얻는 것은 어렵기 때문에 나트륨은 전자를 하나 잃고 +1의 전하를 갖는 양이온 즉 Na+이 되려는 경향을 가지게 된다. 반면에 염소 원자는 7개의 원자가 전자를 가지고 있기 때문에 전자 하나를 얻어 Cl-음이온이 되려는 경향을 갖는다.



그림 1 금속 나트륨과 염소 기체 사이의 반응. 염소 기체가 있는 플라스크에 금속 나트륨을 넣으면 격렬하게 반응하여 염화나트륨이 생성된다.


그림 2 각 족의 원소들이 가질 수 있는 전하.


그림 1에서 볼 수 있는 것처럼 염소 기체가 들어있는 플라스크에 금속 나트륨을 넣어주면 둘 사이에 격렬하게 반응이 일어나 염화나트륨이 생성된다. 이 반응에서 나트륨은 전자를 잃음으로써 Na+양이온이 되고 염소는 전자를 얻어 Cl-음이온이 된다. 그리고 이 두 이온은 서로 반대 전하를 가지고 있기 때문에 강한 정전기적 인력으로 결합하여 소금 결정이 형성된다. 나트륨 원자는 전자를 하나 잃으려는 경향이 있고 염소 원자는 전자를 하나 얻으려는 경향이 있기 때문에 두 원소가 반응을 할 때는 그림 3에서 보는 것처럼 일대일로 반응한다.

 

이와 동일한 원리로 1A, 2A, 3A 족에 있는 원소들은 각각 +1, +2, +3의 전하를 가지려는 경향이 있고 반면에 5A, 6A, 7A 족의 원소들은 각각 -3, -2, -1의 전하를 가지려는 경향을 갖는다. 가운데 있는 전이금속과 주기율표 아랫부분에 있는 일부 주족 금속 원소들은 이 규칙을 따르지 않고 두 종류의 이상의 전하를 가지기도 한다. 그림 2에 각 원소들이 가질 수 있는 전하가 정리되어 있다. 팔전자 규칙을 따르는 원소들의 경우에는 그 원소가 몇 족에 소속되었는지 알면 이온결합을 어떻게 형성할 지 예측할 수 있다.

 

예를 들어 마그네슘(Mg)과 염소가 결합하여 이온결합 화합물을 만들 때 화학식을 결정해 보자. 마그네슘은 +2의 전하를 가지려는 경향이 있고 염소는 -1의 전하를 가지려는 경향이 있기 때문에 두 원소가 전자를 주고받아 반응하려면 마그네슘 원자 하나와 염소 원자 두 개가 결합해야 한다. 따라서 화학식은 MgCl2가 된다(그림 3). 나트륨과 황이 이온결합을 형성하는 다른 예를 살펴보자. 여기에서는 나트륨이 전자를 하나 잃고 황은 전자를 두 개 얻어야 하기 때문에 나트륨 두 개가 한 개의 황과 결합하여 화학식은 Na2S가 된다(그림 3).

 

그림 3 이온결합 화합물의 결합 비율. 이온결합을 형성할 때 원자들의 결합 비율은 각 원자가 가질 수 있는 전하의 수에 의해 결정된다.


마지막으로 이온결합 화합물의 화학식은 단지 두 이온이 결합하는 비를 나타내는 것임을 기억하자. 즉 NaCl은 나트륨 이온과 염소 이온이 쌍을 이루어 독립적으로 존재하는 화합물이 아니라 여러 개의 Na+이온과 Cl-이온이 일대일의 비율로 모여 있는 화합물이다.

 

고체 상태의 염화나트륨에서는 여러 개의 이온이 교대로 쌓여 있는 결정을 이루고 있다. 그림 4에서 보는 것처럼 각 나트륨 이온은 여섯 개의 염소 이온에 둘러싸여 있고 마찬가지로 각 염소 이온은 여섯 개의 나트륨 이온에 둘러싸여 있다. 여기에서 결정을 이루는 기본 입자는 NaCl이 아니라 이온들 즉 나트륨 이온과 염소 이온이기 때문에 결정의 모든 입자들은 이온결합에 의해 붙잡혀 있음을 명심해야 한다. 이온결합 화합물들의 녹는점이 매우 높은 이유는 바로 이것 때문이다.


그림 4 이온결합 화합물의 결정 구조. 염화나트륨의 결정구조를 공-막대기 모형 (a) 과 공간 채움 모형 (b)으로 나타내었다. 이 결정에서 각 이온은 6개의 반대 전하를 가진 이온에 둘러싸이게 된다.





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