Chapter 8. Intro_화학적 결합과 역사 (Chemical bond)

  Chapter 8을 정리 하기전 Intro로 두개나 소개하였다. 이번 글은 "화학적 결합"의 대해 우선 알아보고, Chapter 8을 정리하고자 한다. 이번 글의 내용과 Chapter 8을 정리한 글과 거의 유사할 것이다. 그럼에도 소개를 하는 것은 대부분의 화합물은 결합으로 이루어졌기 때문이다. 지금까지 배운 화학 원소들의 원자들이 서로 붙어서 분자가 되기 때문이다. 어떠한 것은 고체가 되기도 하고, 어떤 것은 액체가, 어떤 것은 기체가 되기도 하는데, 이때 발생되는 서로의 힘을 화학적 결합 또는 화학결합이라 표현을 한다. 주로 공유 결합, 이온 결합, 금속결합과 반데르발스 힘 또는 수소결합 등이 있다. 이제, 이러한 화학적 결합을 알아보자.

공유 결합 (Covalent Bond)

• 두 원자가 전자를 공유해서 결합하는 방식임.
• ex.) H₂O (물), CO₂ (이산화탄소), CH₄ (메탄)
• 보통 비금속 원소들 사이에서 주로 발생 됨.

역사적 이야기

 

• 19세기 후반 – 초기 개념 등장
  1860~1890년대, "에드워드 프랭클랜드(Edward Frankland)"나 "길버트 루이스(Gilbert N. Lewis)" 같은 과학자들이 원자가(valency) 개념을 소개하며 공유 결합 개념의 기초가 마련됨.
• 1916년 – 루이스 구조 제안
  루이스는 전자쌍을 점으로 표현해 원자 간 공유를 시각화하는 "루이스 점 구조(Lewis Dot Structure)"를 제안. 
• 1920년대 – 양자역학 적용
  슈뢰딩거 방정식이 등장하고, "라이너스 폴링(Linus Pauling)"이 양자역학적으로 공유 결합을 설명.
  그는 혼성 궤도(hybrid orbital) 개념을 제안해 결합 각도와 형태를 설명함.

 

이온 결합 (Ionic Bond)

• 한 원자가 전자를 내어주고, 다른 원자가 그 전자를 받아서 양이온과 음이온이 되어 정전기적 인력으로 결합하는 방식을 의미 함.
• ex.): NaCl (소금), MgO
• 보통 금속과 비금속 원소 사이에서 잘 생김.

역사적 이야기

 

• 18세기 – 전기와 물질 간의 연관성
  이온이라는 개념은 1800년대 초부터 점차 형성됨. 전기분해 실험을 통해 전하를 띤 입자가 존재한다는 것을 발견.
• 19세기 – 마이클 패러데이
  전해질과 이온의 개념을 구체화함. 전류를 통해 물질이 분해되는 현상을 수학적으로 정리.
• 1890년대 – 아렌니우스의 전해질 이론
  스반테 아렌니우스는 전해질이 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉜다는 개념을 제안. 이때부터 이온 결합에 대한 이해가 급진전됨.

 

금속 결합 (Metallic Bond)

• 금속 원자들이 자유롭게 움직이는 전자(전자 구름)를 공유하면서 전체가 결속되는 것을 말함.
• (그래서) 금속이 전기 전도성이 좋고, 연성이 있기 때문임.

 

역사적 이야기

• 고대 – 금속의 성질은 알고 있었지만 원자 수준 이해는 못함
  고대부터 금속이 전도성이 있다는 건 알고 있었지만, 원자 간 결합에 대한 이해는 없었음.
• 20세기 초 – 전자 바다 모델(Electron Sea Model)
  금속 원자들이 "자유롭게 움직이는 전자들(자유전자)"을 공유한다는 이론 등장.
  이 모델은 금속의 전기 전도성과 열 전도성을 잘 설명해줌.
• 양자역학의 도움으로 밴드 이론(Band Theory) 등장, 고체 상태의 금속 결합을 수학적으로 정교하게 설명.

 

반데르발스 힘 / 수소 결합 (약한 상호작용)

• 위의 결합보다는 약하지만, 분자들 사이에서도 인력이 작용할 수 있음.
• 수소 결합은 특히 중요한데, 물 분자들이 서로 끌어당기며 액체 상태를 유지하게 해주는 중요한 힘이 됨.

역사적 이야기 (수소결합)

• 1920년대 – 첫 제안
  수소 결합 개념은 1920년대 후반, T.S. Moore와 T.F. Winmill이 물 분자의 특이한 성질을 설명하려고 하면서 등장.
• 1930년대 – 폴링에 의해 체계화
  라이너스 폴링은 수소 결합이 생기는 조건을 보다 구체화했으며, 이 결합이 물의 끓는점, DNA의 이중 나선 구조, 단백질 구조 등에 중요한 역할을 한다는 것을 보여줌.

 

보통 일반화학에서는 각 결합의 대한 역사적 이야기는 포함되지 않는 것이 대부분일 것으로 본다. 고등학교 화학에서도 위와같은 결합은 배웠을 것으로 본다. 하지만, 역사적인 흐름에서는 서술되지 않았을 것으로 생각되어, 간단하게 역사적인 이야기를 작성해 보았다. 재미있게 읽었음 한다.