1.2 분자결합 (Molecular Bonds) 1.2.1 결합특성

1.2 분자결합 (Molecular Bonds) 1.2.1 결합특성

모든 원자(또는 분자)의 결합은 결합하는 원자나 분자간의 최외각 전자의 상호작용에 기인한다. 이웃 하는 원자(또는 분자)간에 최외각 전자를 서로 공여하거나 주고 받아 결합은 이루어진다. 따라서 원자로 부터 전자가 이탈하는데 필요한 에너지와 원자에 전자를 새로 추가하는데 필요한 에너지의 정도가 곧 결합의 가능 유무와 그 특성을 좌우한다. 이러한 결합특성을 나타내는 측도로 다음과 같은 세가지 종류 의 측정값을 사용한다.

전자 전 자이 이온 온화 화 에너 에 너지 지

(E(

El le ec ct tr ro on n I Io on ni ic c E En ne er rg gy y)

)::

최외각 전자를 제거하여 원자를 이온화 시키는데 필요한 에너지로 나타낸다.

전자 전 자친 친화 화성 성

(E(

El le ec c tr t ro on n A Af ff fi in ni it ty y)

)::

원자에 전자를 추가할 때 발생하는 에너지로 나타낸다.

전

전기 기음 음성 성도 도

(E(

El le ec c tr t ro on ne eg ga at ti iv vi it ty y)

)::

원자가 전자를 필요로하는 정도로 나타낸다.

1.2.2 분자결합의 종류

자 이제 분자결합의 종류에 대하여 알아보자. 먼저 이웃하는 두 원자간에 전자를 주고받거나 공동 으로 소유(공유)하여 이루어지는 결합을 1 차 결합 (First order bonds) 이라고 하고 원자로부터 분자를 만드는 결합이다.

이 1차 결합 에는 먼저 전자를 주고받아 생기는 결합을, 전자를 주거나 받을 때 각각의 원자는 이온 화되므로 이를 이온결합 (Ionic bond)이라 한다. 이 결합은 주로 무기분자이나 금속분자에서 주로 일어 나는 것으로 염(鹽)을 형성하므로 염(salt)을 만드는 결합이라는 뜻으로 조염결합이라고도 한다. 다음에 이웃하는 두 원자가 전자를 서로 공유하여 이루어지는 결합을 공유결합 (Covalent bond)이라 하고 주로 유기분자가 가지는 결합이다. 그밖에 금속원자와 같이 전자수가 매우 많은 원자에서 전자의 운동특성이 특이하여 이루어지는 결합을 금속결합 (Metalic bond)이라 한다.

분자와 분자간에 서로 상호작용을 일어키는 결합을 2 차 결합 (Second order bonds)이라 한다. 이 결합은 이웃하는 원자간에 전자를 완전히 주거나 받지 못하지만, 한편이 전자가 부족하여 전자가 풍부 한 상대의 전자에 대해 끌어당기는 힘이 작용하여 생기는 결합으로 통칭 반데르발스결합 (Van der Waals bonds)이라 한다. 따라서 이 결합은 상호 전자의 부족과 충족정도에 따라 그 세기가 달라진다. 가 장 전자수가 적어 일차결합에 의해 전자의 부족정도가 가장 심한 수소가 간여하는 2 차 결합을 수소결 합 (Hydrogen bond)이라 한다. 그리고 일차결합된 두 원자간에 쌍극을 형성하여 이웃하는 분자와 2 차 결합을 이루는 쌍극자결합 (Dipole bond)이 있으며, 전자가 분자궤도를 이동하면서 불균일 분포에 의해 생기는 전하이동결합 (Charge transfer bond) 등이 있다.

일차결합은 고분자에 있어서 분자 그 자체를 결정하는 요인이 되며, 이차결합은 고분자의 각종 물성 을 결정 짓는 요인이 된다.

분 분 자 자 결 결 합 합 의 의 종 종 류 류

1 1 차 차 결 결 합 합 : : ^{이 이 온 온 결 결 합 합 (i ( io on n ic i c b b o o n n d d ) ) - -- -- - 금 금 속 속 , , 무 무 기 기 분 분 자 자} ( ( 분 분 자 자 내 내 ) ) ^{공유 공 유결 결합 합 (c ( co o va v al le en n t t b b on o n d) d ) - -- -- - 유기 유 기분 분자 자}

금속 금 속결 결합 합 (m ( me et ta al li ic c b b on o n d d ) )

2 2 차 차 결합 결 합 : : ^{Va V an n d de er r W Wa aa al l s s bo b o n n d d}

( ( 분 분 자 자 간 간 ) ) ^{수소 수 소결 결합 합 ( ( H H yd y d ro r o ge g en n b b o o n n d d ) )}

쌍극 쌍 극자 자결 결합 합 ( ( D D ip i p o o le l e b b on o n d) d )

전하 전 하이 이동 동결 결합 합 (C ( C ha h ar rg ge e t tr ra an n sf s fe er r b bo o nd n d ) )

이온 이 온결 결합 합 ( ( I I o o n n i i c c B B o o n n d d s s ) )

이 결합은 낮은 전자이온화에너지와 높은 전자친화성을 가진 원소가 만나 이루어지는 결합이다. 즉 전자음성도 차가 큰 원소사이의 결합으로 반드시 서로 다른 원소( + 와 – 이온 )사이의 결합이다. 결합 에 관여하는 원소수(결합수)는 결합하는 이온의 상대적 크기(이온가)에 따라 결정된다.

나트륨 +1가와 염소 –1가 로 결합된 소금(NaCl)을 예로 들어보자.

예 예

) ) NaNa⁺⁺ClCl^-- : : NaNa⁺⁺

저 저 이온 이 온화 화에 에너 너지 지

Na

⁺

Cl

^-

ClCl ^--

고 고 전자 전 자친 친화 화성 성

그리고 이온결합의 상호위치는 일정하게 정해져 있지 않고, 서로 결합하는 원소의 입체공간상의 위치에 따라서 결합위치가 정해진다.

이 결합은 주로 무기분자에 의해 이루어지지만 유기분자 에 있어서도 이온성 원자단을 갖는 고분자는 양극성 사이에 이온결합이 일어난다.

그 예로 천연고분자인 단백질에 있어서 일어나는 이온 결합을 들 수 있다.

합성고분자에 있어서는 이러한 이온의 결합반응을 이용하여 고분자를 중합하거나, 선택투과성, 염착 성, 생체적응성등 다양한 기능성을 부여하기도 한다.

고분자에 있어서 주로 이용되는 이온성 원자단은 COO^-, HSO4-, NH3+ 등이다.

공유 공 유결 결합 합 ( ( C C o o v v a a l l e e n n t t B B o o n n d d s s ) )

상대하는 두 원자(또는 분자)가 각각 비공유 단독전자를 서로 제공하여 안정된 전자쌍의 분자궤도 (Molecular orbital)를 형성하여 공유함으로써 이루어지는 결합이다. 이는 비공유 단독전자를 가지는 Radical에 의해 형성되는 결합으로 전기음성도의 차가 없거나 적은 원소사이에 일어나기 쉽다. 따라서 같은 원소간에도 일어나며, 상대하는 원자나 분자의 크기에 따라서 여러 형태의 결합 특성이 나타난다.

H H H H H H H H

이 결합은 대체로 원자수가 낮은 원자로 이루어지는 유기분자에서 주로 일어나며, 결합되는 원자의 수는 다른 일차결합에 비하여 제한적이며, 결합되는 상대적 위치도 일정하여, 결합된 분자의 밀도가 비 교적 낮다.

공유전자는 공유하는 전자의 수에 따라서 결합형태를 달리한다. 상대하는 원소간에 각각 하나의 전 자를 제공하여 한 쌍의 전자를 공유하는 경우, 이 전자를 시그마 전자 (

σ

electron)이라 하고, 이 전자에 의한 결합은 단일결합으로 시그마 결합 (sigma bond)이라 하며, 결합축에 대해 대칭적인 공유가 형성되 며, 이 축을 중심으로 회전운동이 가능하다. 반면에 한 상대원소에 둘 이상의 전자를 각각 제공하여 공 유할 경우, 이 전자들은 파이 전자 (

π

elecron)라 하고, 이 전자에 의한 결합을 파이 결합 (pi bond)이라 하며, 이중 공유하는 전자쌍의 수가 두 쌍이면 이중 결합 (Double bond), 세쌍이면 삼중 결합 (Triple Bond)이라 한다. 이들 파이전자에 의한 결합은 비대칭결합으로 결합축에 대해 상대 원소간의 회전이 불 가능하다. 따라서 파이전자의 유무는 분자의 유연성에 영향을 미치며, 특히 분자의 길이가 매우 긴 고분 자의 경우는 그 유연성을 좌우하는 매우 중요한 요소가 된다.

O O O O

π π σ σ π π

예를 들어 산소(O2)의 경우, 1s1s²²2s2s²²2p2p⁴⁴ 로 최외각 껍질에 2 개의 비공유 전자쌍과 2 개의 단독전자 를 가지므로 위의 그림과 같은 서로 결합시 이중결합으로 시그마결합과 하나의 파이결합을 가진다.

같은 원소간의 공유 결합인 경우, 결합하는 원자의 상대적 크기가 같아 공유 전자에 미치는 힘도 같으므로 공유 전자는 양 원소사이에 고르게 분포하게 되나, 상대 적 크기가 다른 원소끼리의 결합인 경우, 다시 말하면 전기음성도 차가 있는 경우의 공유 전자는 상대적으로 음성도가 큰 원자쪽으로 전자 분포의 편재가 일어나고, 이로 인해 공유 전자가 오래 머무는 쪽은 – 극으로 전자가 부족한 쪽은 + 극으로 극성이 나타나게 된다. 이러한 불균 등한 결합을 극성 공유 결합 (Polar covalent bond)이라 한다.

이에 대하여 전기음성도가 같은 원소끼리 결합된 극성 이 없는 결합을 비극성 공유 결합 (Nonpolar covalent bond) 이라 한다.

따라서 다른 원소끼리 결합된 대부분의 공유결합은 그 전기음성도의 정도차에 따라서 극성을 보인다. 좌측의 그림 은 극단적인 전기음성도 차에 대한 예를 보인 것이다.

극성공유결합을 하는 대표적 분자로 물(H₂O)을 들 수 있다.

H H

₂₂

O O

물 분자는 상대적으로 큰 산소원자와 작은 수소원자 간의 공유결합 으로 공유전자는 전기음성도가 큰 산소쪽으로 쏠리고, 수소는 상대적으로 전자가 결핍되어 약한 + 극성 (

δ

⁺)을 띄게 되며, 산소는 비공유 전자쌍을 비롯하여 수소의 일부 전자가 더해져 – 극성 (

δ

^-)을 가지게 된다. 뿐만 아니라 이 분자는 입체구조적으로 오른쪽 그림과 같이 산소원자를 중심 으로 두 수소원자가 약 105도의 각으로 편재되어 있어 산소측은 - 극, 수소측은 + 극을 띄는 전형적인 극성분자가 된다.

이와 비슷한 경우로 메탄(methane)에 대해서 살펴보자. 메탄은 탄소와 수소로 된 화합물(CH₄)로써, 역시 CH 간에 공유결합은 물의 OH 와 같이 불균등한 공유결합이 형성되지만, 메탄은 물과 달리 비극성 분자이다.

CH C H

₄₄

그 이유는 메탄의 수소는 입체적으로 탄소주위에 고르게 분포하고 있어 메탄분자의 내부는 비록 탄소의 – 극을 띄나, 바깥부분이 모두 수소의 + 극 으로 동일하므로 비극성의 성질을 나타낸다.

오른쪽의 메탄 그림을 크릭하면 공유전자분포를 나타내는 동영상을 볼수 있다.

공유결합과 이온결합을 비교하면, 공유결합은 공유된 전자쌍을 분자궤도 상에서 경우에 따라서 어느 정도 편재는 있지만 근본적으로 공동으로 나누어 가지는 것이지만, 이온결합은 전자가 제공하는 원자쪽에서 부여받는 쪽으로 그 제어가 완전히 이전된 후, 두 원자는 극성에 의해 결합되는 것이다.

공유 공 유결 결합 합과 과 이온 이 온결 결합 합의 의 비교 비 교

결합 결 합거 거리 리와 와 결합 결 합에 에너 너지 지

원자간 결합거리는 두 원자의 최외각 전자가 공유될 수 있는 거리에 해당되므로 원자의 크기에 따라 결정된다. 이 거리 보다 더 멀리 떨어져 있으면 서로 당기는 인력(Attractive force)이 작용하며, 더 가까이 접근하면 두 원자간의 전자 반발력(Repulsive force)으로 서로 밀치게 된다.

다음은 두 원자간의 거리에 대한 작용하는 결합력을 도표로 나타내었다.

녹색 점으로 표시된 곳이 두 원자(H₂)간의 결합 위치와 그때의 결합에너지를 나타낸다.

주로 고분자의 골격을 형성하는 몇몇 원자간의 공 유결합에 있어서 결합력와 결합각 및 결합거리를 다 음 도표에 나타내었다.

단일 공유결합에 있어서 결합력은 약 400 KJ/mol 정도이며, 결합각은 단일결합일 경우 약 110°, 결합 거리는 약 1.0~1.5 Å 정도이다.

이중결합의 결합력은 단일결합의 약 1.5배로 이는

π

^결합력이

σ

결합에 비하여 약 반 정도라는 것을 알 수 있다. 따라서

π

^결합이

σ

결합에 비하여 쉽게

절단되어 라디칼을 형성하게 된다.

금속 금 속결 결합 합 ( ( M M e e t t a a l l i i c c B B o o n n d d s s ) )

금속과 같이 질량이 큰 원자는 많은 전자를 갖고 있고 그 중 가장 바깥에 있는 최외각 전자는 핵으 로부터 먼 거리에 위치하여 핵에 의한 구속력이 약하다. 따라서 이들 전자는 매우 유동적이며, 이웃하는 원자사이로 쉽게 이동하는 성질을 가진다. 그러므로 금속간의 결합은 비교적 쉽게 일어나는 편이며, 결 합위치도 일정하지 않으므로 결합된 원자간에 위치 변동이 있을 수 있다. 또한 입체공간적으로 큰 표면 적을 가짐으로써 경우에 따라서 12개 이상의 주변 원자와 결합도 가능하여 비교적 많은 원자와 동시에 결합할 수 있는 특성을 가진다.

전자가 주변의 다른 원자로 이동할 수 있다는 것은 전기가 흐를 수 있다는 것으로 도전성을 의미하며, 표면적이 크고 결합된 원자의 위치가 고정되지 않는다는 것은 늘어나는 물성인 연성을 지닌다는 것을 의미한다.

아래 동영상은 붉은 색의 금속원자 주위로 하늘색의 전자가 유동 하는 모양을 보여주고 있다.

반데 반 데르 르발 발스 스 결합 결 합 ( ( V V a a n n d d e e r r W W a a a a l l s s B B o o n n d d s s ) )

2 차 결합은 분자간의 상호 인력을 의미하는 결합으로 분자를 이루는 1 차 결합과 그 의미가 사뭇 다르다. 하지만 궁극적으로 보면 하나의 분자를 형성한다거나 또는 두 분자간 인력이 작용한다는 것은 결국 다 같은 인력의 작용으로 그 세기의 정도차에 따른 구분에 지나지 않는다. 즉, 원자간의 결합력의 정도가 1 차 결합력에 못 미치는 인력이면, 이는 한 분자를 이루지 못하는 것에 해당되어 분자간의 인 력이란 말로 표현되는 것이다.

원자나 분자간의 상호 인력은 모든 원자사이에 존재하며, 일반적으로 그 인력(결합력)은 매우 미약하 고, 인력이 미치는 거리(결합거리)도 3 ~ 5 Å 으로 비교적 넓은 편이다. 이러한 인력을 반데르발스 인력 (Van der Waals force)이라 하며, 이 인력에 의한 결합을 반데르발스 결합 (Van der Waals bond)이라 한 다. 이는 분자에서 있어서 이온결합이나 공유결합과 같은 1 차 결합과 동시에 존재하고, 다 차여진 전자 궤도를 가진 불활성원자에서도 이 인력에 의해 고체를 형성할 수 있다.

이 인력이 발생하는 원리는 원자를 둘러 싼 전자운(elecron cloud)의 불균일한 유동 에 기인한다. 전자운을 이루는 수많은 전자 입자는 핵주위를 유동하고 있지만 모든 방 향으로 균일하게 유동하지는 못하고 순간 마다 편재가 일어난다. 따라서 한순간 전자 입자가 많이 모이는 방향과 그 반대방향에 순간적인 극이 발생하고, 이 극에 의해 이 웃하는 원자간에 인력이 생기게 되는 현상 을 반데르발스 인력이라 한다.

유기분자에 있어서 대표적인 분자간 결합이며, 가장 약한 결합으로 그 결합력은 약 4 ~ 8 KJ/mol 이 다. 이는 공유결합의 약 1/100 정도의 세기에 해당된다. 이 결합에 의해 분자가 응집되는 대표적 고분자 로 폴리에칠렌(Polyethylene)을 들 수 있으며, 이 결합의 파단이 폴리에칠렌 고분자의 용융거동의 원인 이 된다.

한편 반데르발스인력이 형성되는 과정에서 순간적인 전자 분포 불균형에 의해 발생하는 결합을 순간 적 반데르발스 결합이라 하고, 항시 전자분포가 불균일하게 끔 되어있는 조건에서 일어나는 반데르발스 결합을 영구적 반데르발스 결합이라 한다.

수소 수 소결 결합 합 ( ( H H y y d d r r o o g g e e n n B B o o n n d d s s ) )

반데르발스 결합을 하는 상대 원자가 원소 중에서 가장 작은 수소라면, 이때는 어떤 원자와 결합하든 지 항상 불균일한 전자분포가 가장 크게 일어나며, 따라서 결합력도 그 원소가 일어킬 수 있는 반데르 발스결합중에서 가장 크진다. 이 결합은 항상 수소가 관여하여 일어키는 결합이라 하여 수소결합이라 한다. 결국 수소는 두개의 전기음성적인 원자와 결합이 가능하고 그중 하나는 수소결합이며 다른 하나 는 공유결합이다.

O O ^{H H} …

δ δ ^{- -} δ δ ^{+ +} δ δ ^{- - x x}

이 결합은 2 차 결합중에 가장 강하여 대략 40 KJ/mol의 결합력을 갖는다. 수소와 결합하는 상대 원소가 클수록 큰 값을 갖는다. 대표적 분자는 물(H₂O)이며, 고분자의 친수성은 주로 이 결합에 의해 발 현된다.

물분자는 O-H의 공유결합, O..H의 수소결합, 그리고 O..O간의 반데르발스결합을 가지며, 상온에서 이러한 이차결합을 유지하며 유동한다. 오른쪽 동영상은 물분자 의 유동과 O..H간의 수소결합과의 관계를 형상화하여 나타내었다.

아래 그림은 천연고분자인 cellulose 분자사슬간의 수소결합과 합성고분자인 Polyamides 사슬간의 수소 결합을 나타내었다.

C C e e l l l l u u l l o o s s e e P P o o l l y y a a m m i i d d e e

δ

^-

δ

⁺

δ

^-

δ

⁺

δ

⁺

δ

^-

쌍극 쌍 극자 자결 결합 합 ( ( D D i i p p o o l l a a r r B B o o n n d d s s ) )

분자나 원자단에서 전자가 편재됨으로써 양극이 뚜렷이 나타나고, 이로 인하여 마치 자석과 같이 양 극이 반대극을 서로를 당김으로써 일어나는 결합을 쌍극자결합이라 한다. 쌍극자 중에서 전자 편재가 항상 일정한 원자단을 영구쌍극자 (Permanent Dipoles)라 하고, 영구쌍극자에 의해 유도되어 주위에 있 는 분자의 전자가 편재됨으로써 일어나는 쌍극자를 유도쌍극자 (Induced Dipoles)라 한다.

쌍극자의 결합력은 약 20 KJ/mol 정도이며, 이 결합을 하는 대표적 분자로 아크릴 섬유를 만드는 합성고분자인 폴리아크릴로니트릴 ( Polyacrylonitrile)을 들 수 있다.

오른쪽 그림은 폴리아크릴로니트릴의 쌍극자

δ

^-

결합을 도시한 것으로 니트릴기는 탄소측을 +극,

δ

⁺

δ

⁺

δ

^-

질소측을 –극으로 하여 영구쌍극자를 형성함으로써 이웃하는 두 아크릴 고분자사슬의 니트릴 쌍극자

δ

⁺

사이에 결합이 일어난다.

δ

^-

^δ

^-

하나의 아크릴 고분자사슬에 있어서는 이웃하는

δ

⁺

쌍극자가 같은 방향을 하고 있기 때문에 같은 극 끼리 접근하게 되고, 서로 반발력이 작용하여 밀어 내게 되어 폴리아크릴로니트릴의 사슬은 니트릴기 가 밖으로 향하는 감겨진 모양을 갖게 된다.

전하 전 하이 이동 동결 결합 합 ( ( C C h h a a r r g g e e T T r r a a n n s s f f e e r r B B o o n n d d s s ) )

페닐기 (Phenyl group)과 같은 이중결합을 가진 방향환 (aromatic ring)은 이웃하는

π

전자가 서로 연합하여 분자궤도를 형성함으로써 이 전자의 이동성이 증가한다. 따라서 방향환에서

π

전자의 이동 편 재가 일어나기 쉽게 되어 순간적인 극이 발생한다. 같은 종류의 환이 서로 겹쳐있을 때, 하나의 환에서 이동 편재에 의한 극은 겹쳐진 환에 반대되는 유도극을 발생시키게 되고, 이들 사이에 결합이 일어나게 된다. 이러한 결합을 전하이동결합이라 한다.

이 결합으로 인하여, 이중결합을 가진 환구조의 분자는 규칙적으로 적층되는 경향을 지닌다. 전하이 동에 따른 인력은 비록 미약하나 환 구조상 특성이 표면적이 크고 대체로 많은 수가 적층되는 경향을 가짐으로써 분자 전체로서는 상당한 결합력을 이루어 낸다.

π

그 예로 합성고분자 중에서는 합성섬유로 사용되는 폴리에칠렌 텔레프탈레이트(일명 폴리에스터:

Polyethylene terephthalate)가 이 결합을 가지는 대표적 고분자 이며, 무기고분자로는 고강도 복합 재료의 강화섬유로 사용되는 탄소 섬유(Carbon fiber) 또는 그라파이 터섬유(Graphite fiber)가 전하이동 결합에 의해 강력을 유지하는 대표 적 예이다.

1.2.3 화학반응 (Chemical Reaction)

화학반응은 일차결합을 이루는 반응으로 반응 전에 사용된 원소와 그 질량과 전하가 반응 후에도 보 존되어야 한다. 반응속도는 반응하는 두 분자의 충돌 확율에 의해 결정되며, 이 확률은 반응물의 농도에 의존한다. 예를 들어,

2 2 H H

₂₂

+ + O O

₂₂

→ → 2 2 H H

₂₂

O O N N

₂₂

+ + O O

₂₂

→ → 2 2 N N O O

즉,

반응 반 응속 속도 도 ∝ ∝ 두 두 분자 분 자의 의 충돌 충 돌 확률 확 률 ∝ ∝ 농도 농 도 ∝ _∝ [N [ N

₂₂

] ] [ [O O

₂₂

] ]

여기서 []는 반응물의 농도를 의미한다. 따라서 반응속도(R₁)는 반응물의 농도에 비례하므로 그 비례계 수를 반응속도상수(k₁)라 한다.

R R

₁₁

= = k k

₁₁

[ [N N

₂₂

] ] [ [ O O

₂₂

] ]

역반응이 일어날 경우, 역시 같은 방법으로 역반응속도(R2)는 반응물의 농도에 비례하므로

2 2 N N O O → → N N

₂₂

+ + O O

_{2 2}

R R

₂₂

= = k k

₂₂

[ [N NO O] ] [ [ NO N O ] ] = = k k

₂₂

[N [ NO O ] ]

²²

순반응속도와 역반응속도가 같아지면 (

R R

₁₁

= = R R

₂₂ ), 그 반응계(system)은 동적 화학평형 (Dynamic Chemical Equilibrium) 상태에 있다고 한다. 즉,

k k

₁₁

[N [ N

₂₂

] ] [ [O O

₂₂

] ] = = k k

₂₂

[ [N NO O ] ]

^{2 2}

(동 ( 동적 적평 평형 형 ) )

이때 화학평형상수는 Keq = k1 / k2 로 다음식으로 구한다.

k k

₁₁

[ [ NO N O ] ]

²²

k k

_eqeq

= = -- - -- -- -- - - - = = -- - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- - = = co c on ns st t. . (평 ( 평형 형상 상수 수 ) )

k k

₂₂

[ [ N N

₂₂

] ] [O [ O

₂₂

] ]

반응 후 결합된 분자가 더 낮은 에너지상태로 되면, 반응물의 결합이 더 강하게 일어났음을 의미하며, 이처럼 반응 전보다 반응 후에 더 강한 결합이 일어나는 반응을 발열반응 (Exotherm)이라 한다. 이는 반응 후 낮아진 에너지만큼 그 분자로부터 잉여에너지가 열에너지 형태로 배출되기 때문이다. 화학반응에 관여하는 에너지의 형태는 열, 빛, 화학, 운동에너지 등으로 있을 수 있지만, 그 중에서 열에너지 형태가 가장 보편적이다. 이는 보통 단일결합하는 원소간의 진동대가 열에너지인 적외선 파장대이기 때문 이다.

반응 전후의 에너지 차가 클수록 반응은 극렬하게 일어난다. 반면에 반응 전보다 더 약한 결합이 될 경우는 흡열반응 (Endotherm)이라 하며, 결합에 필요한 만큼의 에너지를 외부에서 공급해 주어야 하기 때문이다.

한편 반응을 촉진하기 위하여 사용하는 촉매 (Catalysis)는 반응계에서 반응속도를 증가시키는데 기 여하지만, 반응에 따른 질량 보존과 화학평형에는 관여하지 않는다.

1.2.4 물분자 (Water molecules)

물은 지구상에서 3/4를 차지하고 있으며, 인체를 구성하는 성분의 60%를 차지하고 있다. 따라서 물 은 가장 흔한 용매로 저렴하게 이용할 수 있기 때문에 산업용 용매로 가장 많이 사용되고 있다.

물분자(H2O)는 가운데 산소원자를 중심으로 공간상 한 방향 으로 수소 두 분자가 결합된 비대칭적 구조를 하고 있으며, 결합 원자간의 치수는 아래와 같다.

–

–

O-O-HH

원 원자 자거 거리 리

: : 00..995577Å

Å

,, –

–

O-O-HH

결 결합 합각 각

: : 110044..5522°

° – –

H-H-HH

원자 원 자거 거리 리

: : 11..5533Å

Å

물분자의 전자궤도는 다음과 같으며,

H H :: 11ss^{1 1}

O O :: 1 1 sshheellll -- 11ss²²

2 2 sshheellll -- 22ss²²2p2p⁴⁴ ((22pp_xx²²2p2p_yy¹¹2p2p_zz¹¹) )

산

산소 소는 는

spsp33

혼성 혼 성궤 궤도 도로 로

44

면체 면 체

((44

개의 개 의 팔 팔)

)를

를 이룬 이 룬다 다.

.

–

– 2p2p_yy1 1와와 2p2p_zz11 는는 각각각각 H H 와와 공유공유결결합합 – – 나머나머지지 2p2p_xx^{2 2}는는 비공비공유유 전자전자쌍쌍

물분 물 분자 자의 의 분자 분 자간 간 결합 결 합

+ 극성인 산소(O)와 – 극성인 수소(H)간에 그림과 같은 두 종류의 2차 결합이 동시에 존재한다.

1) 양극성인 O와 H간의 수소결합

2) O의 -극성의 크기 차에 의한 반데르발스 결합

기 기 체 체 액 액 체 체 고 고 체 체

물의 물 의 상태 상 태

물분자는 상온에서 분자 유동에 따라 그 위치는 변하지만, 분자간에 수많은 수소결합을 유지하고 있 어 분자간 거리가 일정하여 액체 상태를 유지한다. 이 수소결합이 동시에 끊어질 정도로 물을 가열하면, 물분자는 서로 일정하게 유지하던 거리가 변하게 되며 기체화하여 증기가 된다. 반면에 온도를 낮추어 분자운동을 멈추게 하여 그 위치를 고정시키면, 고체화되고 이를 얼음이라 한다.

물의 분자량은 18로 액체 상태이지만, 프로판(CH3CH2CH3)의 분자량은 물보다 무거운 42이지만, 기체인 이유는 무엇이겠는가?

얼음 얼 음의 의 구조 구 조

물이 고체화된 얼음의 규칙적 분자배열 구조는 두 종류가 있다. 그 중 하나는 평면 6각형의 배열로 일반적인 구조이며, 다른 하나는 정사면체의 입체배열로 특별한 구조이다.