공유결합(共有結合, covalent bond)
개요[편집 | 원본 편집]
공유결합은 화학결합의 종류 중 하나이다. 원자들이 옥텟 규칙을 만족하기 위해 부족한 전자 만큼 서로의 전자를 나누어 가짐으로써 형성된다.
일반적으로 비금속 원자 간의 화학 결합이 공유결합이며, 공유결합으로 분자, 또는 공유결정이 만들어진다. 기본적인 개념은 공유 전자쌍인데, 이는 서로의 전자를 하나씩 내어놓아 만들어진다. 원자 간의 공유 전자쌍의 개수가 많아질수록 결합의 힘이 강해진다. 예를 들어, 질소는 N2로 각각의 질소 원자 사이에 삼중 결합을 하고 있는데 덕분에 결합력이 커져 굉장히 안정되어 있다.
극성과 비극성에 따른 분류[편집 | 원본 편집]
더 정확한 공유결합의 정의를 들자면, 화학 결합의 극성을 따져서 공유결합성분과 이온결합 성분의 크기를 비교해서 공유결합 성분이 큰 것을 공유결합이라고 한다. 이에 따르면 결합을 이루는 원자 간의 전기 음성도 차이가 1.7 이하인 결합이 된다.
공유 결합의 정의를 전기 음성도가 낮은 것으로 한하는 이유는 위에도 있다시피, 공유 결합을 하는 많은 원소들이 대개 비금속 원자 사이에서 결합을 이루기 때문에 전기 음성도 차이가 많이 나지 않기 때문이다.
다만, 예외로서 HF(플루오린화 수소)는 공유결합을 이루고 있으나 전기 음성도 차이가 1.9이다.
공유 결합은 크게 두 가지로 나뉘는데, 하나는 극성 공유결합이고 다른 하나는 무극성 공유결합이다.
같은 원소가 이원자 분자를 이룰 때, 각 원자 간의 전기 음성도 차이가 나지 않으므로 이를 무극성 공유결합이라 하고(쌍극자 모멘트 합이 0일 때), 같은 원소가 아닐 경우에는 전기 음성도 차이가 생기므로 극성 공유결합이라고 한다(쌍극자 모멘트 합이 0이 아닐 때). 다만 실제로는 전기음성도 차이가 0.4 이하인 것을 비극성 공유결합이라고 한다.
일산화 탄소와 일산화 질소는 전기 음성도가 큰 원자가 더 많은 전자를 내놓는 구조이기 때문에, 전기음성도가 큰 원자가 오히려 미세하게나마 양성을 띠고 분자의 극성도 그리 크지 않다. 다만 극성은 존재하기 때문에 일산화 탄소는 분자량이 비슷한 질소 분자보다 어는점과 끓는점이 조금 낮다.
결합차수나 오비탈에 따른 분류[편집 | 원본 편집]
분자 오비탈의 마디에 따라 시그마 결합, 파이 결합, 델타 결합, 피 결합으로 나뉜다.
시그마 결합은 결합축 방향에 전자 밀도가 모여 있는 결합이다. 파이 결합은 결합의 축과 겹쳐지는 마디 평면이 하나 존재한다, 델타 결합은 결합의 축과 겹쳐지는 마디 평면이 둘 존재한다., 피 결합은 결합의 축과 겹쳐지는 마디 평면이 셋 존재한다. 각각 s,p,d,f 오비탈과 유사하여 그 이름이 붙여졌다. 그리고 파이 결합을 하기 위해서는 p 오비탈 이상의 오비탈끼리 결합에 참여해야 하고, 델타 결합, 피 결합도 마찬가지로 각각 d 오비탈 이상, f 오비탈 이상의 오비탈이어야 한다.
결합 차수는 결합에 참여하는 전자쌍의 수를 나타내는데, 분자 오비탈 이론에서는 기존에는 결합에 참여하지 않는다고 생각되던 전자들이 사실은 한쌍은 결합에 참여하고 한 쌍은 반결합에 참여한다는 것을 확인할 수 있다. 그래서 결합 오비탈의 전자쌍 수 - 반결합 오비탈의 전자쌍 수를 일컫는다. 이에 따르면 일산화 질소의 경우 2.5차 결합을 한다. 그리고 공명을 하는 화합물은 '분수차 결합'을 하기도 한다. 또는 사이안산 이온과 같이 한 쪽 결합의 정확한 결합 차수를 정의하기 어려운 경우도 있다.
고등학교 과정에서는 단일결합부터 삼중결합까지 배우며, 단일결합은 항상 시그마 결합이고 이중결합과 삼중결합 화합물들은 하나가 시그마 결합이고 나머지가 파이 결합이라고 배운다.
그러나 사실은 이원자 붕소(B2) 분자, 이원자 탄소(C2) 분자처럼 단일결합이나 이중결합이 모두 파이 결합으로 구성된 화합물도 존재한다.
결합 차수가 4차 이상이려면 델타 결합 이상의 결합을 반드시 가지고 있어야 한다. 피 결합은 그 동안 존재 여부가 의문시되어 왔으나 2005년에 우라늄 분자(U2)가 피 결합을 가지고 있다는 사실이 밝혀졌다.
계산화학적인 연구 결과에 따르면 칠중결합은 아마도 존재하지 않을 것으로 보고 있다.