15. 화학결합(공유 결합, 루이스 전자점식, 금속 결합)

🧪 화학 결합 (공유 결합, 루이스 전자점식, 금속 결합)

1. 공유 결합과 루이스 전자점식

• 공유 결합은 비금속 원소와 비금속 원소 사이의 결합이다.
• 두 원소 모두 전자를 받으려는 경향이 강해 전자를 주고받지 않고, 서로 전자를 공유하며 옥텟 규칙을 만족함으로써 결합이 형성된다.

1) 루이스 전자점식 (Lewis Electron Dot Structure)

• 정의: 원자핵과 내부 껍질 전자는 생략하고 원자가 전자(Valence Electron)만을 점으로 표시하여 원자나 분자의 구조를 나타내는 방식이다.
• 표기 원칙
  • 원소 기호 주위에 전자가 들어갈 수 있는 공간은 상, 하, 좌, 우 네 곳이다.
  • 전자는 최대한 멀리 떨어져 있도록 배치한다. (반발력 최소화)
• 원자가 전자와 결합성
  • 홀전자 (결합할 전자): 쌍을 이루지 않은 전자. 공유 결합에 참여한다.
  • 비공유 전자쌍 (Lone Pair): 쌍을 이루고 있어 공유 결합에 참여하지 않는 전자쌍.

족	원자가 전자 수	비공유 전자쌍 수	홀전자(결합할 전자) 수
14족 (C, Si)	4개	0쌍	4개
15족 (N, P)	5개	1쌍	3개
16족 (O, S)	6개	2쌍	2개
17족 (F, Cl)	7개	3쌍	1개

2) 루이스 구조식 (Lewis Structure)

• 정의: 공유 결합에 참여하는 공유 전자쌍을 선으로 표현하여 분자의 구조를 간단하게 나타낸 식이다.
• 공유 전자쌍
  • 단일 결합: 1개의 공유 전자쌍 (1쌍의 선)
  • 이중 결합: 2개의 공유 전자쌍 (2쌍의 선)
  • 삼중 결합: 3개의 공유 전자쌍 (3쌍의 선)
• 표기: 루이스 구조식에서는 비공유 전자쌍을 표기해도 되고 생략해도 된다.

3) 결합 예측 (공유 전자쌍 수)

• 분자를 구성하는 원자들의 총 결합할 전자 수를 합산한 후 2로 나누면 그 분자의 총 공유 전자쌍 수를 예측할 수 있다.
• 예를 들어, $\text{H}_2\text{S}$ (수소 2개, 황 1개)
  • $\text{H}$의 결합할 전자: 1개
  • $\text{S}$의 결합할 전자: 2개
  • 총 결합할 전자 수: $(1 \times 2) + 2 = 4$개
  • 총 공유 전자쌍 수: $4 / 2 = 2$쌍 (단일 결합 2개)

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2. 공유 결합의 에너지 변화

• 두 원자가 멀리 떨어져 있을 때는 인력이 우세하여 에너지가 감소한다.
• 원자핵 간의 거리 $r_0$에 도달하여 에너지가 가장 낮은 지점에서 공유 결합이 형성된다.
• 결합 에너지 (Bond Energy)
  • 공유 결합을 끊기 위해 필요한 에너지를 말한다. (흡수하는 에너지, 양수 값으로 표현)
  • 결합이 형성될 때 방출하는 에너지의 크기와 같다. (방출은 음수 값으로 표현)
  • 결합 에너지가 클수록 안정하고 강한 결합이다.

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3. 공유 결합 물질의 특징

공유 결합 물질은 입자 간 인력의 차이에 따라 분자 결정과 공유 결정(원자 결정)으로 나뉜다.

분자결정 (물)

분자결정 (이산화탄소)

분자결정 (아이오딘)

공유결정 (다이아몬드)

분자결정 (흑연)

분자결정 (석영)

1) 공유 결합 물질의 분류

구분	분자 결정 (Molecular Crystal)	공유 결정 (Covalent/Atomic Crystal)
입자	성질을 갖는 최소 단위인 분자가 존재한다.	성질을 갖는 최소 단위가 없다. (거대 분자 구조)
결합 형태	분자 내는 강한 공유 결합, 분자 간은 약한 인력	전체가 강한 공유 결합으로 연결됨
예시	$\text{H}_2\text{O}$, $\text{CO}_2$, $\text{I}_2$ (아이오딘)	다이아몬드 ($\text{C}$), 흑연 ($\text{C}$), 석영 ($\text{SiO}_2$)
화학식	실제 분자식으로 표기	구성 원소의 최소 정수비로 표기

2) 특징 비교

특징	분자 결정	공유 결정
단단한 정도	약한 분자 간 인력으로 쉽게 부서진다.	강한 공유 결합으로 매우 단단하다.
녹는점/끓는점	매우 낮다. (약한 인력)	매우 높다. (강한 공유 결합)
전기 전도성	고체/액체/수용액 상태 모두 없다.	대부분 없다. (예외: 흑연)
예외 ($\text{HCl}, \text{H}_2\text{SO}_4$)	물에 녹아 산/염기의 성질을 띨 경우, 이온화되어 전도성이 생긴다.	흑연은 자유전자와 유사한 비편재화 전자로 전도성이 있다.

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4. 금속 결합 (Metallic Bonding)

1) 형성 원리

• 금속 양이온과 원자가 전자가 되어 격자 사이를 자유롭게 움직이는 자유 전자 사이의 정전기적 인력에 의해 형성되는 결합이다.

2) 금속 물질의 특징 (자유 전자의 영향)

금속 물질의 특징 대부분은 자유 전자 때문에 나타난다.

• 열 및 전기 전도성 우수: 자유 전자가 열과 전하를 쉽게 전달한다.
• 금속 특유의 광택: 자유 전자가 빛을 흡수 및 방출(반사)하면서 나타난다.
• 연성 (Ductility) 및 전성 (Malleability): 외부 힘이 가해져도 금속 양이온층이 밀릴 때 자유 전자가 쿠션 역할을 하며 인력을 무마시킨다.
  • 연성: 실처럼 길게 뽑히는 성질
  • 전성: 종이처럼 얇게 펴지는 성질
• 녹는점/끓는점: 강한 인력으로 인해 대체로 높은 편이다.

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5. 결합 종류별 특성 비교 (종합)

구분	이온 결정	분자 결정	공유 결정	금속 결정
결합 입자	양이온/음이온	분자	원자	양이온/자유전자
녹는점	대체로 높음	가장 낮음	가장 높음	높음
전기 전도성	고체: 없음 - 액체/수용액: 있음	고체/액체/수용액: 없음	대부분 없음	고체/액체: 있음
일반적인 순서	일반적으로 (녹는점): 공유 결정 > 이온 결정 $\approx$ 금속 결정 > 분자 결정