수소 결합
水素結合 / hydrogen bonding
IUPAC에서는 수소 결합을 전기음성도가 수소보다 높은 원자(수소 결합 주개)와 결합한 수소와, 다른 원자 혹은 원자단(수소 결합 받개) 사이에 작용하는 인력적 상호작용으로 정의하고 있다. 그러나 고등학교 과정, 심지어 화학이나 생물학 전공자들 사이에서도 F, O, N에 달린 H가 또 다른 F, O, N과 상호작용하는 것만을 수소 결합으로 생각하는 경우가 흔하다. 이러한 경우가 대부분 강한 수소 결합을 하는 경우가 많고, 이 외의 경우 수소 결합이 존재하는지 혹은 얼마나 강한지를 직관적으로 파악하기가 굉장히 어려우며, 수소 결합이 존재하더라도 그로 인한 성질을 뚜렷하게 나타내는 경우가 많이 없기 때문이다.
보통 결합이라고 하면 원자 간 상호작용을 말하지만, 수소 결합은 분자간 상호작용으로 분류하는 것이 일반적이다. 이는 대개 수소 결합이 분자, 혹은 독립된 원자단 사이에서 작용하며, 그 세기 또한 분자 간 상호작용의 그것에 근접하기 때문이다. 그러나 수소 결합은 흔히 고등학교 과정에서 강한 부분 전하로 인한 극성 상호작용의 일종으로 설명하는 것과 달리, 실질적인 오비탈 상호작용이 관여되어 있으며, 일종의 부분적인 공유 결합이 형성되는 것으로 보는 것이 정확하다.
이런저런 이유에서 수소결합은 사실상 화학, 물리, 생화학등 거의 모든 결합 작용 및 반응에서 기초 중의 기초로 이해해 볼 필요가 있다. 즉 생명체의 기본 골격(back bone)이 되어주는 C-H 결합 또한 이러한 이유에서 수소 결합으로 이해해 볼 수 있을 뿐 만 아니라 C-H가 O-H와 N-H와의 결합에너지 우열에서 주고받게 상황까지 고려해 본다면 친핵체(친전차체) 결합처럼 기타 다른 반응이나 결합과도 무관하지 않게 된다.
세기
분자 간의 수소결합 에너지는 1-100 kJ/mol 정도로, 일반적으로 전형적인 수소 결합은 다른 분자 간 상호작용에 비해 강한 편이다.
전기음성도
F > O > N > C 순서이다.
예
DNA 이중나선: A-T, G-C간의 상보적 결합으로 인해 서로 짝이 맞는 염기쌍만이 붙는다. A-T사이에는 2개, G-C사이에는 3개의 수소 결합이 있다.
이 경우에도 카보닐기(C=O)와 아민기(NH2)의 수소결합과 , 질소(N)와의 수소(H)결합이 2중 또는 3중 결합이 작용한다.
단백질: 단백질의 alpha-helix, beta-sheet 등의 구조들이 peptide bond 사이의 수소 결합으로 인해 나타나며, 3차 구조의 결정 또한 수소 결합이 상당히 기여한다.
카복실산: 특히 간단한 카복실산의 경우 비극성 용매 하에서 2개의 -COOH기 간의 수소결합으로 이합체를 만들어 끓는점 오름/어는점 내림, 삼투압 등이 감소한다.
물의 성질: 물은 비슷한 분자량의 분자들에 비해 압도적으로 높은 끓는점과 녹는점을 갖고, 높은 비열이나 표면장력, 기화열 및 액화열 등을 갖는다.
이온결합 (원자간 정전기력)
수소결합 (분자간 이온결합 즉 분자 간 정전기력)
수소결합
● 수소결합(분자간 정전기력, 분자 간 이온결합)
화학에서 수소 결합(水素結合)은
N(질소), O(산소), F(플루오린) 등 전기 음성도가 강하고 크기가 작은 2주기 원소와 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 정전기적인력으로 일종의 분자 간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다.
수소 결합을 하는 물질은 그 상호작용의 세기가 수소결합을 하지 않는 분자보다 매우 강하여
분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해
녹는점과 끓는점이 높고,
융해열과 기화열이 크다는 성질이 있다.
수소 결합은 분자 내에서 일어나는
원자 간의 화학결합이 아니라
분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로,
분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 쌍극자- 유발 쌍극자힘과 같은 분자 간 상호작용 보다 훨씬 강해 '수소결합'이라고 부르지만, 이온결합, 공유결합보다는 훨씬 약하다.
따라서 이온결합, 공유결합에 비해
열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다.
수소 결합을 하는 물질은 분자내 쌍극자 모멘트가 발생하는 극성 분자로 물에 잘 녹는다.
물(H2O)과 수소 결합을 하여 용매와 용질 사이의 인력이 강해지기 때문이다.
상대적으로 electronegative atom(전기적 음원자는 다른 원자에서 결합된 전자 쌍을 끌어당길 수 있는 원자이다. 불소는 가장 전기 양음인 원소이다.)에 부착된 수소 원자는 수소 결합체의 역할을 한다.
electronegative atom은 보통 불소, 산소 또는 질소이다.
상대적으로 전기음성도가 큰 원자에 부착된 수소 원자는 수소 결합 주개의 역할을 한다. 이 전기음성도가 큰 원자는 보통 불소, 산소 또는 질소이다.
C-H 결합은 CHCl3(클로로포름)의 경우와 같이 탄소 원자가 전기음성도가 큰 원자에 결합해 있을 때만 수소 결합에 참여한다.
수소 결합에서, 수소에 공유결합으로 연결되지 않은 전기음성도가 큰 원자는 양성자 받개라고 명명되는 반면에, 수소에 공유결합으로 연결된 것은 양성자 주개로 명명된다.
이 명명법이 IUPAC에 의해 권장되는 반면, 다른 주개-받개 결합에서 주개/받개의 명칭은 전자쌍의 원천으로 결정되기 때문에 이 명명법은 오해받을 수 있다.
양성자 결합 주개는 루이스 정리에 기반을 둔다.
수소결합은 H···Y형태로 서술되는데 점선은 수소 결합을 의미한다.
수소결합을 나타내는 물과 같은 액체들은 associated liquids라고 불린다.
기증자의 분자에서, 전자는 기증자의 수소 핵 주위에서 전자구름을 끌어당기고, 전자구름을 중심으로 하여, 원자는 양전하를 가진 양전하를 가지고 있다.
다른 원자와 분자에 비해 작은 수소의 크기 때문에, 결과적으로 부분적으로만 차지하는 전하는 큰 전하 밀도를 나타낸다. 수소 결합의 강력한 양전하가 다른 헤테로 다인의 전자를 다른 헤테로 다인으로 끌어당길 때 수소 결합 양자가 된다.
수소 결합은 종종 전기 쌍극자 쌍극자 상호 작용으로 설명된다. 그러나, 수소 결합은 또한 공유 결합의 일부 기능을 가지고 있다. 그래서 방향성과 강한 힘의 합을 만들어 내고 이를 쌍극자 모멘트라고 부른다.
수소 결합은 매우 약한 힘(1-2 kJ/mol)에서 극도로 강한 힘(161.5 kJ/mol)까지 다양할 수 있다.
일반적인 엔탈피는 다음과 같다.
F−H···:F (31.5 kJ/mol or 38.6 kcal/mol)
O−H···:N (29 kJ/mol or 6.9 kcal/mol)
O−H···:O (21 kJ/mol or 5.0 kcal/mol)
N−H···:N (13 kJ/mol or 3.1 kcal/mol)
N−H···:O (8 kJ/mol or 1.9 kcal/mol)
HO−H···:OH (18 kJ/mol or or 4.3 kcal/mol)
수소 결합의 길이는 접착 강도, 온도, 압력에 따라 달라진다. 접착 강도 자체는 온도, 압력, 결합 각도 및 환경에 따라 달라진다.
(일반적으로 로컬 유전 상수로 특징 지어짐).
물속의 수소 결합의 전형적인 길이는 197pm이다. 이상적인 결합 각도는 수소 결합 기증자의 성격에 달려 있다. 플루오르화 수소산과 다양한 수용체 사이의 다음 수소 결합 각도가 결정되었다.
[주의] 화학식에 O와 H, N과 H, F와 H가 있다고 해서,
무조건 수소 결합이 가능하다고 생각하지 말 것.
반드시 분자 내에 O-H, N-H, F-H 결합이 존재해야 수소 결합이 가능하다.
즉, H는 O, N, F와 직접 결합하고 있어야 수소 결합이 가능하다.
예를 들어, CH3F는 F-H 결합이 없기 때문에, 수소 결합이 불가능하다.
● 수소 결합의 예
물(H2O)
플루오린화 수소(HF)
암모니아(NH3)
에탄올(C2H5OH)
DNA의 염기 간의 결합
메탄올(CH3OH)
아세트산(CH3COOH)
(-OH, -COOH, -NH₂)와 결합하는 경우
포도당, 설탕, 녹말, 단백질 등 많은 물질에서
수소 결합이 나타난다.
■ 이온결합 (원자 간 정전기력)
이온 결합(-結合)은 금속과 비금속 이온 또는
암모니움과 같은 다중 원자 이온 사이에
자주 형성되는 정전기 인력을 통한
화학결합의 한 형태이다.
간단하게 두 반대로 전하된 이온 간의 인력에 의해
형성된 화학결합이다.
양이온과 음이온이 정전기적 인력으로
결합하여 생기는 화학결합이다.
양이온 주위를 여러 개의 음이온이 정전기적 인력으로 둘러싸고 있는 결정구조를 이루는 경우가 많다.
이온 결합 물질은 입자들이 사방으로 결합하여 거대한 결정을 이루기 때문에 분자라고 칭하지 않는다.
■ 공유결합
공유결합(共有結合, covalent bond)은
원자들이 전자를 공유하여 결합한다.
공유 결합을 형성하는 분자는
원자핵과 전자쌍간의 인력 및 원자간 척력에 의하여 안정화되어 있다.
이온 결합이 전기 음성도차이 및 전자에 대한
인력 차이에 의해 분리된 전하를 갖는데 비하여,
공유 결합은 전하가 분리되지 않거나(무극성 공유 결합), 분리되더라도 적은 정도로만 분리되어 있어(극성 공유 결합) 전자의 쏠림 현상이 크지 않다.
※ 최외각전자를
2 8 14개로 유지하려 함