Chapter 11_수소결합 (Hydrogen Bonding)

Chapter 11에 소개 되겠지만, 앞서서 수소결합의 대해 알아보자. 생화학을 포함한 많은 곳에서 언급되는 분자간 결합이 수소결합인데, 이 수소 결합이 무엇인지와 어떡해 설명되는지를 알아보았음 한다. 특별히, 이번 글은 위키피디아에서 정의되는 내용과 일반화학 책에 나오는 내용과 정리해보려고 한다. 즉, 질소, 안소, 불소 등 전기음성도가 강하고 크기가 작은 2주기 원소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 정전기적 인력으로 분자간의 인력을 말한다. 이러한 수소결합을 하는 물질은 그 상호작용의 세기가 수소결합을 하지 않는 분자보다 매우 강하여 분자량이 유사한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고, 융해열과 기화열이 크다고 위키백과는 설명하고 있다. 

그렇다면, 책에는 어떡해 표현되는지 보자. 이는 영문을 그대로 옮겨 보겠다. 

"Hydrogen Bonding : Bonding that results from intermolecular attractions between molecules containing hydrogen bonded to an electronegative element. The most important examples involve OH, NH, and HF."

위와 같이 정의되고 있는데, 가장 중요한 단어중의 하나는 "Intermolecular attractions"이 아닐까 한다. 이 말은 'Intramolecular'와는 다른 것이기 때문이다. 즉, 분자내 (Intramolecular)가 아닌 분자간 (Intermolecular)이기 때문이다. 즉, 분자간의 인력을 말하고 있다. (물론, 분자 내의 약한 정전기적 작용도 있긴하다.)

1. 그럼, 이제, 정리를 해보자.

수소결합은 "수소 원자(H)"가 "전기음성도가 큰 원자(F, O, N 등)"와 결합할 때 형성되는 분자 간 또는 분자 내의 약한 정전기적 상호작용을 말한다.

 

쉽게 설명하면,
"수소(H)"가 어떤 강력한 전기음성 원자(예: 산소, 질소, 플루오린)와 공유결합으로 연결되면, 그 수소는 "부분적인 양전하(δ⁺)"를 띠게 되고, 다른 분자의 "전자밀도가 높은 부분(δ⁻)"에 끌리게 되는 것을 말한다.

아래 그림을 참조하면 알 수 있을 것 같다.

수소결합

2. 수소결합의 조건

1. 수소 원자가 전기음성도가 큰 원자와 공유결합을 이루고 있어야 함 (보통 O-H, N-H, F-H).
2. 수소 원자가 다른 분자의 비공유전자쌍과 상호작용해야 함.

3. 대표적인 예시

1. 물(H₂O)
   물 분자 사이의 수소결합 덕분에 물은 끓는점이 높고, 고체 상태(얼음)에서 독특한 결정 구조를 가짐.
2. DNA
   염기쌍(A-T, G-C) 사이의 수소결합이 DNA 이중 나선 구조를 안정화함.
3. 단백질의 2차 구조
   α-나선, β-시트 같은 구조도 수소결합 덕분에 유지됨.

4. 수소결합의 힘

• 공유결합이나 이온결합보다는 약하지만, 분자 구조와 성질에 큰 영향을 준다.
• 인체 내 생명 현상, 물질의 용해성, 끓는점, 점도 등을 결정하는 중요한 힘이 된다.

이처럼, 수소결합은 결코 약하지 않은 결합 중의 하나로 보면 될 것이다. 물, DNA, 단백질의 2차구조에서 이 수소결합으로 인해 나선 구조의 안정성을 유지하게 되는데, 대학에서는 우와 같은 내용을 시험문제로 내기도 한다. A-T, G-C의 화학구조를 그린 후에 그의 따른 결합력을 설명하시오. 같은 문제를 출제하기도 하니, 지금 익혀두면 나중에 편할 것으로 생각된다.