극성 결합과 분자의 극성
이제는 우리가 지금까지 배운 내용을 이용하여 분자의 물리적인 성질을 예측하는 방법을 배우도록 하자. 분자들의 물리적인 성질을 결정하는 가장 큰 요인 가운데 하나는 분자의 극성이다. 대표적인 극성 분자인 물과 비극성 분자인 기름은 서로 섞이지 않는다. 또한 극성 분자는 비교적 녹는점이나 끓는점이 높지만 비극성 분자는 낮다. 그 외에도 증기압, 휘발성, 적심 (wetness), 표면장력, 점도 등 수많은 특성들이 분자가 극성인지 비극성인지에 의해 크게 달라진다.
우리가 어떤 분자가 극성인지 비극성인지 알기 위해서는 두 가지를 알아야 한다. 첫째는 결합의 극성이고 또 하나는 분자의 구조에 대한 지식이다. 어떤 결합이 극성인지 알기 위해서는 그림 1에 나타난 전기음성도의 크기를 어느 정도 파악하고 있어야 한다.
전기음성도는 결합에서 전자에 대한 원자의 친화도를 나타내는 것이다. 전기음성도가 높은 원자와 낮은 원자가 공유결합을 형성하고 있으면 공유된 전자쌍은 고르게 분포되지 않고 전기음성도가 높은 원자 쪽으로 치우치게 된다. 주기율표에서 전기음성도는 오른쪽으로 갈수록 그리고 위로 갈수록 높아지는 경향을 보여 플루오르가 가장 높은 전기음성도를 가지고 있다.
그림 1 원소들의 전기음성도 |
그림 2 Cl2의 예에서 보는 것처럼 만약 동일한 두 원소가 공유결합을 형성하고 있다면 공유된 전자는 두 원자 사이에 균일하게 분포되어 극성은 나타나지 않을 것이다. 그러나 HCl과 같이 전기음성도가 낮은 수소와 전기음성도가 높은 염소가 공유결합을 형성하는 경우에는 염소 원자가 공유된 전자를 더 강하게 끌어당기기 때문에 염소 원자 쪽으로 전자의 분포가 치우친다.
결과적으로 염소 원자 쪽에 작은 음전하가 만들어지고 반대로 수소 원자 쪽에는 작은 양전하가 만들어진다. 이와 같은 극성을 쌍극자 (dipole)라고 하며 쌍극자의 방향은 양전하에서 음전하 쪽을 향하는 것으로 정해져 있다. 쌍극자를 가지고 있는 결합을 극성 공유결합이라고 한다. 염소 원자가 수소 원자의 전자 한 개를 완전히 가져가는 것이 아니기 때문에 전하의 크기는 1보다 작은 값을 갖는다. 여기에서 δ는 1보다 작은 수를 나타낸다.
그림 2 극성 분자와 비극성 분자 |
그림 1의 주기율표에 나타난 원소들의 전기음성도를 보면 다양한 값을 가지고 있는 것을 볼 수 있다. 여기에서 전기음성도가 다르기만 하면 모두 극성 공유결합을 형성한다고 할 수 있을까? 결합의 극성이라는 것은 실제로는 연속적인 개념이다.
그림 3는 결합하고 있는 두 원자 사이의 전기음성도 차이에 따른 결합의 구분을 보여준다. 가장 왼쪽에 있는 F2 처럼 동일한 두 원자가 결합하고 있으면 전기음성도 차이가 0이기 때문에 당연히 비극성 공유결합이 된다. 그 다음에 있는 HBr과 HF에서 두 원자의 전기음성도 차이는 각각 0.7과 1.9인데 이 정도의 차이는 극성 공유결합으로 분류한다. 마지막으로 NaF처럼 두 원소 사이의 전기음성도 차이가 매우 크면 이온결합이 된다.
금속 원소와 비금속 원소가 결합하고 있는 대부분의 간단한 화합물은 이온결합 화합물이다. 탄소와 수소처럼 전기음성도 차이가 크지 않으면 극성이 없는 것으로 간주한다. 우리가 일반화학에서 배우게 될 화합물들 가운데 극성 공유결합은 거의 대부분이 수소나 탄소 원자가 산소, 질소, 플루오르, 염소, 브롬 원자와 결합할 때 생성된다.
그림 3 전기음성도 차이에 따른 비극성 공유결합, 극성 공유결합, 이온결합의 구분 |
두 번째로 고려해야 할 것은 분자의 구조이다. 어떤 분자가 극성 공유결합을 가지고 있어도 그 극성이 서로 대칭을 이루어 상쇄되면 전체적으로 비극성 분자가 된다.
그림 4 (A)에 있는 이산화탄소에서 탄소와 산소 사이의 결합은 전기음성도 차이가 1.0으로 극성 공유결합이다. 그러나 탄소를 중심으로 하여 양쪽의 극성 공유결합이 180°로 정확하게 대칭이 되어 극성이 서로 상쇄되기 때문에 전체 분자는 비극성이 된다. 반면에 그림 (B)의 물은 산소를 중심으로 하여 양쪽의 극성 공유결합이 구부러져 있기 때문에 두 개의 쌍극자가 상쇄되지 않고 전체적으로 화살표 방향의 쌍극자를 갖게 된다.
그림 (C)의 암모니아의 경우에도 세 개의 쌍극자가 서로 상쇄되지 않고 전체적으로 화살표 방향의 쌍극자를 갖는다. 따라서 어떤 분자가 극성이 되기 위해서는 먼저 극성 공유결합을 가지고 있어야 하고 두 번째로 쌍극자들이 서로 상쇄되지 않아야 한다.
그림 4 분자 구조와 분자 극성의 관계 |
0 댓글