공유 결합
1. 개요
共有結合 / covalent bond
'''공유 결합'''은 화학 결합의 일종으로 주로 비금속원소+비금속원소[1]끼리 결합하는 방식을 말한다.
일반적으로 모든 원자는 가장 안정한 18족 기체의 전자구조로 변하려는 성질이 있다[2] 최외각전자 개수는 8개가 되기에는 부족할 때 원자가전자의 일부를 다른 원자와 공유를 한다. 결과적으로는 비활성 기체의 전자껍질을 따라가게 된다.[3]
무수히 많은 화합물이 공유 결합 형태이다. 그 예에는 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 물에서부터 탄화수소 및 탄소화합물, 가장 단단한 원자 결정인 다이아몬드 등이 있다.
2. 특징
극성을 가지는 입자가 없어지는 방향으로 결합을 한다. 그래서 고체든 액체든 전기 전도성이 없는 경우가 대부분이다. 탄소원자로만 이루어진 동소체 중 일부는 다르다. 탄소원자는 전자가 4개이다. 풀러렌과 흑연, 그래핀 등은 구성하고 있는 탄소가 주변의 탄소 3개와 연결되어 있다. 때문에 전자 한 개가 남게 되고, 이 전자가 금속결합에서의 자유전자와 같은 역할을 하게 된다.
공유결합한 물질 간 전기음성도 차이가 크면 전하가 한쪽으로 쏠려(편극되어) 극성을 갖게 된다. 이런 경우로는 물이 있다. 산소의 전기 음성도가 수소보다 크기 때문에 산소 쪽이 -전하를 띠고, 반대쪽이 +전하를 띤다. 이것은 전기 쌍극자 모멘트를 통해 계산한다.
이온 결합과 달리 녹는점과 끓는점이 낮은 경우 역시 많다. 공유결합은 원자 간의 결합이지, 분자 간의 결합을 뜻하는 것이 아니기 때문이다. 이온 결합의 경우, 극성을 가진 원자들 덕분에 고분자와 같은 형태로 나타난다.
또한 결합을 한 뒤 두 원자핵 사이의 거리(결합길이)는 퍼텐셜에너지가 최소가 되어 안정한 점에서 생긴다. 인력으로 인해서 거리가 가까워질수록 퍼텐셜 에너지가 작아지고, 원자핵 간의 척력으로 인해서 아주 가까이 올수록 퍼텐셜 에너지가 증가하는 두 요인들의 경쟁으로 최소 퍼텐셜 에너지가 되는 위치가 정해진다. 이러한 현상으로 인해 '''뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 기현상'''이 발생한다. 자세한 것은 음펨바 효과 참조.
참고로 화학은 '안정성'을 따지는 학문이라고 할 정도로 '안정성'에 초점을 두고 있는데 공유 결합은 좋은 예시들이 많다. 결국 모든 상태는 안정적인 상태에 수렴하게 되는데, 그래서 안정적인 결합으로 가게 된다.
3. 결정형
결정형은 분자 결정과 원자 결정 2가지가 있다.
분자 결정은 모든 연결에서 분자의 모양을 그대로 유지한다. 분자들끼리 규칙적으로 배열되어 결정을 이루고 있기 때문이다. 위에서 말했듯이 조금만 힘을 가하여도 부서지고 녹는점과 끓는점이 매우 낮다. 분산력 참고.
원자 결정은, 인접한 원자들끼리 계속 결합을 이뤄 그물처럼 결합되어있는 형태이다. 분자결정과는 달리 결합력이 매우 강하다.
4. 종류
공유하는 전자 쌍의 개수에 따라 단일결합, 이중결합, 삼중결합으로 나눌 수 있다. 단일결합은 한 쌍, 이중결합은 두 쌍, 삼중결합은 세 쌍의 전자 쌍을 공유한다.
단일결합은 회전할 수 있으나 이중결합과 삼중결합은 회전할 수 없다.[4]
공유하는 전자 쌍이 늘어날수록 해당 결합 길이는 짧아진다. 하지만 이 정도가 완벽히 결합하는 전자쌍의 개수와 비례하지는 않는데, 이 이유는 첫 결합은 σ(시그마)결합인 데 반해 그 이후로의 결합은 π(파이)결합이기 때문이다. 어떤 경우에서는 결합이 많을 수록 불안정하다. 예를 들어 탄소화합물에서는 탄소들 간의 삼중결합이 이중결합보다, 이중결합이 단일결합보다 반응성이 좋은데 그 이유는 이러한 불안정성과 관련이 있다. 때문에 단일결합에서는 치환이 이뤄지는 반면 이중, 삼중에서는 첨가 반응이 더 많이 일어난다.(2, 3중 결합이 끊겨 단일결합이 되며 이중결합에 쓰인 전자쌍이 다른 원자와의 결합에 쓰인다)
사중 결합부터는 델타(δ) 결합이다. 주로 전이 금속의 결합에서 존재한다. 예를 들어 크로뮴(II) 아세테이트는 두 개의 크로뮴 원자 사이에 사중결합이 존재한다.
[1] 물론 PbCl4, Sn(C4H9)3처럼 금속 원소와 비금속 원소 사이나 Po2처럼 금속 원소 끼리에서도 공유결합을 하기도 한다. 애초에 이온 결합과 공유 결합은 엄격하게 구분되는 것이 아니며, 모두 파동의 중첩이다.[2] 이를 옥텟 규칙이라고 한다.[3] 이 설명은 쉬운 버전으로, d 오비탈이나 양자역학을 고려해주면 위의 설명은 맞지 않는다.[4] 그 이유는 혼성 오비탈의 파이 결합과 관련이 있다.