원자들을 결합시키는 힘
에너지 준위(energy level)
원자가전자(valence electron)
이온 결합(ionic bond)
공유 결합(covalent bond)
자유 전자
원자들의 결합으로 이루어진 물질
모든 물질은 원자1)로 이루어져 있다. 원자란 물질을 구성하는 기본 입자를 말한다. 그렇다면 원자는 어떻게 이루어져 있을까? 원자들이 단순히 함께 모여만 있다면 바람이 불거나 툭 치기만 해도 흩어져 버릴 것이다. 하지만 원자들은 어떤 강한 힘으로 결합해 있기 때문에 고유한 성질을 갖는 물질을 이룬다.
이 때 한 원자와 쉽게 결합하는 원자도 있는가 하면 좀처럼 결합하지 못하는 원자도 있다. 예를 들면 소금은 나트륨과 염소 원자들로 이루어져 있고 설탕은 탄소·산소·수소 원자들로 이루어져 있다. 소금을 구성하는 나트륨 원자는 염소 원자와는 쉽게 결합하여 물질을 이루지만, 설탕을 구성하는 탄소 원자와는 잘 결합하지 않는다. 원자 간의 결합을 이해하려면 먼저 원자의 구조부터 이해해야 한다. 원자 내부의 세계로 들어가 보자.
설탕 결정 소금 결정
신기한 원자 내부의 세계
모든 원자는 중심에 (+)전기를 띤 원자핵이 있으며, 그 주위를 (-)전기를 띤 전자가 돌고 있다. 이 때 가장 작고 가벼운 원소인 수소 원자는 전자 1개를 가지고 있지만, 다른 종류의 원자들은 모두 각각 다른 수의 전자들을 가지고 있다. 1개의 원자가 다른 원자와 결합하기 위해 가까이 가면 먼저 바깥쪽에 있는 전자들이 상호 작용을 한다. 이처럼 원자와 원자가 결합하는 데는 전자가 중요한 역할을 하므로, 먼저 전자들의 구조와 행동을 이해하는 것이 중요하다.
원자의 구조
원자의 중심에는 (+)전기를 띤 원자핵이 존재하며, 그 주위를 (-)전기를 띤 전자가 운동하고 있다. 또 원자핵은 (+)전기를 띤 양성자와 전기를 띠지 않은 중성자로 이루어졌는데, 양성자와 전자의 개수는 같기 때문에 원자는 전기적으로 중성이다.
전자 한 원자를 구성하는 각각의 전자들은 원자 내의 모든 공간을 자유롭게 다니지 못하고 핵 주위에 일정한 거리를 둔 에너지 준위에서만 운동한다. 그리고 각 에너지 준위에는 일정 개수의 전자들만 존재한다.
원자의 내부 구조
원자 내의 전자는 각각 일정한 에너지 준위 내에서 1초에 수십억 번이라는 빠른 속도로 회오리치며 움직이고 있다. 따라서 전자의 실제 위치를 파악하는 것은 매우 힘들기 때문에 개개의 전자를 나타내는 대신 '전자 구름'으로 표현한다.
위의 그림을 보자. 전자들은 원자핵 주위를 돌지만 어느 곳에서나 자유롭게 움직일 수는 없다. 즉 양파가 한 겹씩 벗겨지는 껍질을 가지고 있는 것처럼, 원자는 핵 주위에 일정 거리를 두고 전자가 들어갈 수 있는 여러 개의 껍질(에너지 준위, energy level)을 가지고 있다. 이 때 전자는 핵에 가까운 껍질에 위치할수록 안정한 상태가 된다. 그리고 각각의 껍질에 들어갈 수 있는 최대 전자 수는 정해져 있다.
이처럼 전자들은 원자 내에서 궤도(orbit)라고 불리는 일정한 층 내에서만 존재하며, 이 궤도에서 벗어나지 못한다. 수소 원자가 가진 1개의 전자는 핵에 가장 가까운 안쪽의 첫 번째 껍질에 위치한다. 수소 원자와 달리 한 원자에 여러 개의 전자가 있는 경우, 먼저 핵에 가장 가까운 첫 번째 껍질에 2개의 전자가 채워지고, 나머지 전자들은 두 번째, 세 번째 껍질순으로 각각 8개씩 채워진다.
이 때 한 원자가 다른 원자와 결합할지의 여부는 가장 바깥쪽 껍질, 곧 최외각 에너지 준위(outer energy level)에 들어 있는 전자가 결정한다. 이 전자를 원자가전자(valence electron)라 한다. 이 껍질이 전자들로 가득 차면 원자들은 안정된 구조를 가져 결합하려 하지 않는다. 그러나 채워지지 않았을 경우, 전자를 잃거나 얻는 과정을 통해 최외각 에너지 준위를 채우려고 한다. 최외각 에너지 준위가 전자들로 완전하게 채워진 헬륨(He)·네온(Ne)·아르곤(Ar) 등은 안정된 에너지 상태를 가져 다른 원자들과 잘 결합하지 않는다.
이온 결합, 전자를 주고받으면서 서로 이익을 얻는다
소금(염화나트륨, NaCl)을 이루는 나트륨(Na)은 11개의 전자를 갖고 염소(Cl)는 17개의 전자를 갖기 때문에 오른쪽 그림과 같은 전자 배치를 이룬다. 두 원자 모두 세 번째 전자 껍질에 8개의 전자를 갖고 있어야 안정된다. 그러므로 8개가 안 되면 그 궤도를 마저 채우거나 아니면 아예 비워 버리기 위해 자신이 가진 전자를 내주려고 한다.
아래 그림에서 볼 수 있듯이 나트륨 원자는 1개의 원자가전자를 가지므로, 전자 1개만 떼어 내면 안정된 네온(Ne)의 전자 배치를 이룰 수 있다. 그래서 가장 바깥에 있는 전자 1개를 쉽게 내주려 한다. 한편, 염소 원자는 원자가 전자가 7개인데, 전자 7개를 모두 떼어 내려면 많은 에너지가 필요하기 때문에 전자 1개를 다른 원자에게서 얻으려고 한다.
이러한 나트륨과 염소가 만나면, 나트륨 원자는 전자 1개를 아낌없이 내주고 (+)전기를 띤 (+)이온(나트륨 이온, Na+)이 된다. 또한 염소 원자는 나트륨 원자로부터 전자 1개를 받아 (-)전기를 띤 (-)이온(염화 이온, Cl-)이 된다. 그 결과 이들 사이에 강한 전기적 인력이 작용하여 염화나트륨(NaCl)이라는 소금이 만들어진다. 1개의 소금 입자를 이루는 나트륨 이온과 염화 이온은 각각 (+), (-)의 전기를 띠고 있기 때문에 아래의 그림이 보여 주는 것처럼 나트륨 이온과 염화 이온이 차례대로 무수히 결합하여 소금 덩어리가 된다.
나트륨과 염소 원자의 결합
나트륨 전자 배치 염소 전자 배치
나트륨 원자는 최외각의 전자 1개를 염소 원자에 내주어 Na+이 되고 염소 원자는 나트륨 원자로부터 전자 1개를 받아 Cl-이 된다. 따라서 두 이온 사이의 강한 전기적 인력에 의해 NaCl이라는 화합물이 만들어진다.
이 때 각각의 구성 입자들은 (+), (-)로 대전되어 있으나 (+)이온이 가진 전하의 총량과 (-)이온이 가진 전하의 총량이 같기 때문에 전체로서는 전기적으로 중성이다. 이처럼 두 원자가 서로 전자를 주고받아 이온이 되어 결합하는 것을 이온 결합(ionic bond)이라고 한다.
염화나트륨(NaCl)의 이온 결합
나트륨 원자는 1개의 최외각 전자를 내주고 염소 원자는 이것을 받음으로써, 두 원자 모두 최외각에 8개의 전자를 채운 안정한 상태가 되면서 결합한다.
소금처럼 이온 결합으로 만들어진 물질은 고체 상태에서는 구성 입자들이 쉽게 움직일 수 없다. 각각의 이온들이 서로 잡아당기는 전기적 인력에 의해 강하게 결합되어 있기 때문이다. 그러나 액체 상태이거나 물에 녹으면 전기를 띤 이온들이 자유롭게 움직일 수 있어 전기를 통할 수 있다.
또한 (+)이온과 (-)이온의 강한 결합을 끊는 데 많은 에너지가 필요하므로 이온 결합성 물질들은 녹는점과 끓는점이 비교적 높다. 설탕의 녹는점이 185℃인 데 비해 소금은 801℃나 되는 것도 바로 이온 결합에서 비롯한 강한 결합력으로 설명될 수 있다. 그러나 원자들 사이의 결합은 이렇게 전자를 주고받는 과정으로만 이루어지지는 않는다.
*이온(ion) 중성의 원자가 전자를 잃거나 얻으면 전기를 띠게 되는데, 이렇게 전자를 잃거나 얻어 전체적으로 전기를 띤 입자를 가리킨다.
*이온화 에너지(ionization energy) 원자 내의 전자들은 핵에 의해 끌어당겨지고 있으므로 원자로부터 전자를 떼어 내려면 에너지가 필요하다. 첫 번째·두 번째·세 번째 전자……순으로 이온화 에너지가 커진다.
공유 결합, 서로 주기 싫어하는 원자 사이의 타협
염소 원자는 나트륨 원자와 만나면 소금을 만들지만, 2개의 염소 원자가 만나면 황록색의 유독한 염소 기체를 만들기도 한다. 전자 1개를 받으려고만 하는 염소 원자들 사이에서 어떻게 결합이 이루어질 수 있을까? 염소 원자들이 서로 전자를 받으려고만 한다면 이들 사이의 결합은 이루어질 수 없다.
이들이 모두 최외각에 8개씩의 전자 배치를 이루면서 안정적으로 결합하는 방법은 전자를 함께 갖는 것이다. 아래 그림과 같이 2개의 염소 원자는 각각 전자 1개씩을 내놓아 전자쌍을 만들고 이것을 함께 공유하는 방법으로 결합한다. 이와 같이 전기적으로 중성인 상태이면서 전자를 서로 공유하여 안정적인 전자 배치를 이루는 결합을 공유 결합(covalent bond)이라고 한다.
염소(Cl2)의 공유 결합
2개의 염소 원자는 각각 자신이 가진 전자를 1개씩 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 공유함으로써, 두 원자 모두 최외각에 8개의 전자를 채우는 안정한 상태가 되면서 결합을 형성한다.
공유 결합을 하는 물질은 이온 결합을 하는 물질처럼 전자가 한 원자에서 다른 원자로 이동하는 것이 아니다. 단지 원래의 원자에 속한 상태에서 다른 원자의 원자핵에도 끌린다. 다시 말해 전자들은 2개의 원자핵에 모두 전기적 인력이 작용하여 끌어당겨진다. 그러므로 공유 결합으로 이루어진 입자는 물에 녹거나 가열하여 액체 상태가 될 때에도 각각의 원자는 결합된 상태 그대로 한 덩어리처럼 행동하는데, 이러한 입자를 분자(molecule)라고 한다.
설탕을 구성하는 탄소·산소·수소 원자들은 염소 분자처럼 전자를 서로 공유함으로써 모든 원자가 만족하는 안정된 상태가 된다. 설탕은 물에 녹아도 공유 결합으로 이루어진 중성의 분자로 물 속에 존재하기 때문에 전기가 통하지 않는다. 또한 고체 상태에서도 설탕 분자들은 이온 결합과 달리 전기적 인력이 작용하여 강하게 결합되어 있는 것이 아니기 때문에 소금보다 낮은 온도에서 녹는다.
금속 결합, 원자들 사이의 또다른 결합 방법
금속 결합
모든 금속 원자가 전자를 내놓고 일정 배열을 이루면 자유 전자들이 금속 (+)이온들 사이를 자유롭게 이동하며 결합을 유지시킨다. 자유 전자의 이동 모습은 톱니바퀴가 돌아가는 모습과 유사하다.
구리·은·철·금 등은 예부터 우리의 생활과 매우 친숙한 금속이다. 이 금속들은 한 종류의 원자로 이루어진 물질인데, 같은 원자들끼리 어떻게 결합하여 금속 고유의 단단한 성질을 가진 물질을 만드는 것일까?
고체 금속은 무수히 많은 원자가 규칙적이며 일정한 배열을 이루고 있는데, 개개의 금속 원자는 최외각 전자 껍질의 전자들을 쉽게 내주려고 한다. 이렇게 금속 원자가 전자를 내놓고 (+)이온으로 되어 일정한 배열을 이루면, 전자들이 이 (+)이온들 사이를 자유롭게 이동해 다니면서 (+)이온들 사이의 반발력을 없애 결합이 유지되도록 해준다.
이렇게 금속내에서 원자들 사이를 자유롭게 움직여 다니는 전자를 '자유 전자'라 한다. 결론적으로 모든 금속 (+)이온들은 자유롭게 움직이는 전자에 둘러싸여 있고, 이 전자들은 모든 원자핵에 끌어당겨지는 힘을 받으면서 결합이 유지된다. 즉 모든 원자가 전자를 내놓았지만, 한편으로는 모든 원자가 내놓은 전자를 공유하는 것이다.
금속은 자유 전자가 있기 때문에 전기가 매우 잘 통한다. 또한 매우 얇은 종이 모양으로 펴거나 가는 선으로 뽑아낼 수 있다. 금속의 이런 유연성은 금속 이온들이 서로 잘 미끄러질 수 있고 미끄러져서 변형되더라도 금속 원자의 배열은 변하지 않기 때문이다. 또한 금속에 힘이 작용하더라도 금속 이온과 전자들 사이의 인력 때문에 원자들이 함께 붙어 있을 수 있는 것이다. 금속의 열전도성이 좋은 이유도 자유 전자에 의해 열운동이 금속 전체에 빠르게 전달되기 때문이다.
원자들이 결합하는 이유
서로 다른 원자들은 왜 결합하려고 할까? 원자들은 따로 존재하는 것보다 여러 원자가 결합함으로써 더 안정된 상태가 되기 때문이다. 이 과정에는 원자의 중심에 있는 (+)전기를 띤 원자핵과 (-)전기를 띤 전자 사이의 전기적 인력이 큰 역할을 한다. 이온 결합은 전자를 주고받으면서 이루어지는 것이므로, 전자를 내주기 쉬운 원자와 전자를 받기 쉬운 원자 사이에서 주로 일어난다.-
나트륨이나 칼슘 같은 금속 원자들은 원자가 전자를 1, 2개 가지고 있기 때문에 이들 전자들을 쉽게 다른 원자에게 주면서 (+)이온이 되려고 한다. 반면 염소나 산소 등의 비금속 원소들은 원자가 전자를 6, 7개 가지고 있어 다른 원자로부터 전자를 받으려 하거나 공유하여 최외각의 에너지 준위를 채우려고 한다. 그러므로 이온 결합은 전자를 주기 쉬운 금속 원자와 전자를 받기 쉬운 비금속 원자들 사이에서 일어나기 쉽다.
그리고 공유 결합은 전자를 받기 쉬운 비금속 원자들 사이에서 주로 일어난다. 우리 주변의 많은 물질들은 2개 이상의 더 많은 원자들이 결합하여 한 종류의 물질을 만드는 경우도 많고, 또한 다양한 방법으로 결합한다. 110여 가지밖에 되지 않는 원자들 사이에서 이루어지는 이런 다양한 결합 방식으로 셀 수 없이 많은 물질들을 만들고 있으며, 앞으로도 수많은 새로운 물질들이 만들어질 것이다.