1. 화학 결합
01. 화학 결합의 전기적 성질
< 탐구 > 물의 전기 분해 실험하기
￭ 목표 : 물의 전기 분해 현상을 관찰하고, 화학 결합의 전기적 성질을 이해하도록 한다. ￭ 준비물 : 증류수, 황산 나트륨, 빨대, 빨대 마개, 침 핀, 9V 건전지, 집게 달린 전선, 플라스틱병, 비커, 유리 막대, 전자저울, 약숟가락, 시약포지, 보안경, 실험용 장갑 1. 증류수 100mL에 황산 나트륨 1g을 녹인다. 2. 빨대 2개의 한쪽 끝을 각각 마개로 막은 뒤 과정 1의 용액을 가득 채운다. 3. 플라스틱병에 과정 1의 용액을 10mL 정도 넣고, 과정 2의 빨대 2개를 뒤집어 세운다. 4. 양쪽 빨대 아래쪽에 침 핀을 각각 꽂고 9V 건전지에 연결한다. 5. 각 전극에서의 변화를 관찰하고 발생하는 기체의 부피를 비교한다. ✍ 발생하는 기체의 부피비는 얼마인가? ➜ ￭ 정리 1. 증류수에 황산 나트륨을 녹이는 까닭을 설명해 보자. ✍ 2. 물이 전기 분해되는 반응을 화학 반응식으로 나타내 보자. ✍ 3. 실험 결과를 토대로 물을 형성하는 화학 결합의 성질을 설명해 보자. ✍ 물의 전기 분해 결과 ( ) 기체와 ( ) 기체가 ( )의 부피비로 생성되므로 물은 ( ) 원자 ( )개와 ( ) 원자 ( )개로 이루어진 물질임을 알 수 있다. 또한 물에 전류를 흘려주면 성분 원소인 수소와 산소로 분해되므로, 수소 원자와 산소 원자가 화학 결합을 형성하여 물 분자가 생성될 때 ( )가 관여하며, 물을 형성하는 화학 결합은 ( )이 있는 것을 알 수 있다.화학Ⅰ
Ⅲ.
화학 결합과 분자의 세계
① 물의 전기 분해 ￭ 물의 전기 분해 - 물에 전해질을 녹이고 전류를 흘려주면 물이 분해되어 수소 기체와 산소 기체가 생성된다. 이때 생성되는 수소 기체와 산소 기체의 부피비는 ( )이다. - 물의 전기 분해로부터 알 수 있는 화학 결합의 성질 ➜ 물이 전기 분해되는 현상을 통해 수소와 산소로부터 물 분자가 만들어지는 화학 결합이 형성될 때 ( )가 관여하고, 물 분자의 화학 결합은 ( )으로 이루어진다는 것을 알 수 있다. - 물의 전기 분해로 수소 기체와 산소 기체가 발생함을 확인할 수 있는 방법 ➜ 각 전극에서 발생한 기체에 점화기의 불을 가까이 가져가면 ( )극에 모인 기체에서는 ‘퍽’ 소리가 나므로, 가연성이 있는 ( ) 기체임을 알 수 있고, ( )극에 모인 기체에서는 불꽃이 커지므로, 조연성이 있는 ( ) 기체임을 알 수 있다. *** < 참고 > 염화 나트륨 용융액의 전기 분해 *** 염화 나트륨 용융액에 전극을 담그고 강한 전압을 걸어 주면 각 전극에서는 다음과 같은 물질이 분리되어 나온다. ∙ (-)극 : 나트륨 이온(Na+)이 전자를 얻어 액체 상태의 나트륨(Na)이 생성된다. ∙ (+)극 : 염화 이온(Cl-)이 전자를 잃어 황록색의 염소 기체(Cl 2)가 생성된다. 이를 통해, 나트륨과 염소가 전기적 인력에 의해 화학 결합을 한다는 것을 알 수 있다.
02. 화학 결합의 종류
① 화학 결합이 형성되는 까닭 ￭ 옥텟 규칙 - 화학 결합을 거의 하지 않고 일원자 분자 상태로 안정하게 존재하는 비활성 기체의 경우 가장 바깥 전자 껍질에 전자가 모두 채워진 안정한 전자 배치를 이루고 있다. 18족 원소 이외의 원자들도 전자 를 잃거나 얻어 ( )와 같은 안정한 전자 배치를 이루려는 경향이 있는데, 이를 옥텟 규칙이라고 한다. - 원자들이 전자를 주고받거나 공유하여 ( )을 형성하면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟 규칙을 만족하는 안정한 전자 배치가 된다. 즉, 원자들은 화학 결합을 통해 비활성 기체와 같은 안정 한 전자 배치를 이룬다. ￭ 화학 결합의 형성 - 원자들이 서로 가까이 접근하면 핵과 전자 사이에 ( ), 핵과 핵 사이에 ( ), 전자와 전자 사이에 ( )이 생기며, 인력과 반발력이 균형을 이루는 거리에서 원자 사이에 ( ) 이 형성된다. - 원자들이 원자 상태로 존재하지 않고 결합을 이루는 것은 원자로 존재하는 것보다 결합을 형성하는 것이 에너지면에서 더욱 ( )하기 때문이다. ② 이온 결합 ￭ 이온의 형성 - 주기율표 1족, 2족, 13족 원소는 전자를 ( )으며 비활성 기체와 같은 전자 배치를 가지는 ( )이온 을 이루고, 16족, 17족 원소는 전자를 ( )으며 비활성 기체와 같은 전자 배치를 가지는 ( )이온 을 이루려는 경향이 있다. ￭ 이온 결합의 형성과 에너지 변화 - 금속 원자와 비금속 원자가 만나 전자를 잃거나 얻어 양이온과 음이온이 형성되고, 이들 두 이온 사이에 ( )이 작용하여 형성되는 결합을 ( )이라고 한다. - 염화 나트륨 생성 모형- 이온 결합의 형성과 에너지 변화 ￭ 이온 결합 물질 - 양이온과 음이온이 이온 결합을 형성하여 생성된 물질 - 이온 결합 물질은 수많은 양이온과 음이온이 3차원적으로 서로를 둘러싸며 규칙적으로 배열된 ( )을 이루고 있다. 이때 반대 전하를 띠는 이온 사이의 인력은 최대화하고, 같은 전하를 띠는 이온 사이의 반발력은 최소화하도록 이온들이 배열되어 안정한 상태가 된다. - 이온 결정에서 양이온과 음이온이 배열되는 형태는 이온의 크기와 이온 결정을 형성하는 이온의 개수비 에 의해 결정된다. ￭ 이온 결합 물질의 화학식 - 양이온과 음이온의 개수비를 가장 간단한 정수비로 나타낸다. ➜ 이온 결합 물질은 전기적으로 ( )이므로 양이온의 총 전하량과 음이온의 총 전하량은 같다. ➜ 여러 개의 다원자 이온이 결합한 이온 결합 물질의 화학식에서는 괄호를 이용한다. ex) 황산 알루미늄 ( ) ➜ 금속 원자가 두 종류 이상의 양이온으로 존재하는 경우에는 로마 숫자를 이용하여 구분한다. ex) 염화 구리(Ⅰ)는 Cu+이 Cl-과 1:1의 개수비로 결합한 것이고, 염화 구리(Ⅱ)는 Cu2+이 Cl-과 1:2의 개수비로 결합한 것이다. - 이온 결합 물질의 이름은 음이온의 이름에 ‘이온’을 떼고 먼저 읽은 다음에, 양이온의 이름에 ‘이온’을 떼고 읽는다.
③ 이온 결합 물질의 성질과 예 ￭ 쪼개짐과 부스러짐 - 이온 결정들은 이온들이 강한 인력으로 비교적 단단하게 결합하고 있는 위치가 있기 때문에 특정한 결정 모양을 가지며, 이온들의 규칙적인 배열에 의해 결정 내부에는 이온 층이 형성된다. - 이온 결정은 비교적 단단하지만, 외부에서 힘을 가하면 이온 층이 밀리면서 두 층의 경계면에서 같은 전하를 띤 이온들이 만나게 되어 ( )이 작용하므로 쉽게 쪼개지거나 부서진다. ￭ 전기 전도성 - ( ) 상태에서는 양이온과 음이온이 강하게 결합하고 있어 이온이 이동할 수 없으므로 전류 가 흐르지 않는다. → 전기 전도성이 ( 있다 / 없다 ). - ( ) 상태나 ( ) 상태에서는 물질이 이온화하여 각각의 이온이 반대 전하를 띤 전극 으로 이동할 수 있으므로 전류가 흐른다. → 전기 전도성이 ( 있다 / 없다 ).
￭ 녹는점 - 쿨롱 힘 : 양이온과 음이온 사이에 작용하는 정전기적 인력으로, 이온 사이의 거리가 ( 길 / 짧을 )수록, 두 이온의 전하량이 ( 클 / 작을 )수록 커진다. - 녹는점 ➜ 이온 결합 물질의 양이온과 음이온 사이에는 강한 정전기적 인력이 작용하므로, 이들 결합을 끊기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 따라서 이온 결합 물질을 용융시키려면 수많은 이온 결합을 끊어야 하므로 다른 종류의 결합을 하는 물질들에 비해 녹는점이 매우 ( )다. ➜ 이온 결합 물질은 이온의 반지름이 작아 이온 사이의 거리가 ( 멀 / 가까울 )수록, 이온의 전하량 이 ( 클 / 작을 )수록 정전기적 인력이 커지며, 정전기적 인력이 클수록 이온 결합력이 커져 녹는점이 ( )다. ￭ 이온 결합 물질의 예 - 탄산 칼슘( ) : 석회암 동굴의 종유석, 석순, 석주 등을 이루는 물질이며, 달걀 껍데기, 조개껍데기, 소라껍데기의 성분이다. 일상생활에서는 대리석, 유리, 분필 등을 만드는 데 사용된다. - 탄산수소 나트륨( ) : 제산제 등 의약품으로 사용되고, 빵을 부풀리거나 청량음료의 탄산 가스 발생제 등 식용품으로도 사용된다. 최근 오염 물질을 흡착하여 제거하는 효과가 뛰어나고 수질 오염도 유발하지 않는다고 알려져 친환경 세척제로 각광 받고 있다. - 염화 마그네슘( ) : 불꽃놀이, 섬광탄 등에 사용된다. 두부를 만들 때 응고제로도 사용 되는데, 다른 응고제보다 두부를 응고시키는 속도가 빠르다. 또한, 염화 마그네슘 용융액을 전기 분해 하면 마그네슘을 얻을 수 있으므로, 합금 등의 용도로 사용되는 공업용 금속 마그네슘의 제조 원료로 도 매우 중요하다. - 수산화 나트륨( ) : 지방과 중합 반응을 하여 비누를 형성하고, 방직, 식음료 등의 산업에서 널리 사용된다. - 염화 칼륨( ) : 칼륨염의 제조 원료로 사용되고, 토양의 비료, 링거액으로도 사용된다.
④ 공유 결합 ￭ 공유 결합 - 비금속 원소끼리 만나 각각의 원자가 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 공유하여 이루어 지는 결합이다. 각각의 원자는 전자쌍을 공유함으로써 비활성 기체와 같은 전자 배치를 하여 옥텟 규칙 을 만족한다. ➜ ( ) 전자쌍 : 결합에 참여한 두 원자가 서로 공유하는 전자쌍 ➜ ( ) 전자쌍 : 공유 결합에 참여하지 않아 한 원자에만 속해 있는 전자쌍 ￭ 단일 결합과 다중 결합 - 단일 결합 : 두 원자 사이에 전자쌍 ( )개를 공유하여 형성되는 결합 ex) H2, Cl2, CH4 - 2중 결합 : 두 원자 사이에 전자쌍 ( )개를 공유하여 형성되는 결합 ex) O2, C2H4, CO2 - 3중 결합 : 두 원자 사이에 전자쌍 ( )개를 공유하여 형성되는 결합 ex) N2, C2H2, HCN
￭ 공유 결합의 형성과 에너지 변화 - 공유 결합을 형성한 두 원자 사이의 상호 작용 ➜ 공유된 전자와 원자핵 사이에는 ( )이 작용하고, 원자핵과 원자핵, 전자 구름과 전자 구름 사이에는 ( )이 작용한다. - 두 비금속 원자 사이의 거리가 가까워지면 인력에 의해 에너지가 낮아 지고, 에너지가 가장 낮은 거리에서 공유 결합이 형성된다. ➜ 두 수소 원자의 핵간 거리에 따른 에너지 변화 ➜ 결합 길이 : 두 원자가 공유 결합을 형성할 때 두 원자핵 사이의 거리이다. ex) 두 수소 원자가 공유 결합을 형성할 때 결합 길이는 74pm이다. ￭ 공유 결합 물질 - 공유 결합의 의해 만들어진 물질을 공유 결합 물질이라고 한다. - 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 메테인, 암모니아, 에탄올, 포도당 등은 비교적 간단한 분자로 이루 어진 공유 결합 물질이다. - 녹말, 단백질, DNA 등은 고분자 화합물이라고 불리는 거대한 분자로 구성된 공유 결합 물질이다. ⑤ 공유 결합 물질의 성질 ￭ 전기 전도성 - 공유 결합을 이루는 전자쌍은 자유롭게 움직일 수 없으므로, 일반적으로 ( )나 ( ) 상태에서 전기 전도성이 없다. ➜ 공유 결합 물질 중, 물에 녹였을 때 전기적으로 중성인 분자 상태로 존재하는 설탕, 포도당과 같은 물질은 수용액에서도 전기 전도성이 없지만, 물에 녹아 이온화 되는 분자는 수용액에서 전기 전도성 이 있다. ￭ 녹는점, 끓는점 - 원자 사이의 결합은 강하지만 분자 사이의 인력이 약한 편이므로 녹는점이 낮아 상온에서 대부분 ( )나 ( ) 상태로 존재한다.
￭ 공유 결합 물질 중 고체 물질 - ( ) 결정 : 물질을 구성하는 분자들이 분자 사이에 작용하는 인력에 의해 규칙적으로 배열되어 결정을 이룬 것이다. 녹는점과 끓는점이 매우 낮고, 부서지기 쉬우며, 승화성을 나타 내는 것도 있다. - ( ) 결정 : 물질을 구성하고 있는 원자들이 공유 결합으로 그물처럼 연결되어 결정을 이룬 것으로, 원자 결정이라고도 한다. ➜ 공유 결정은 녹는점과 끓는점이 매우 높고, 단단하다. ➜ 공유 결정 중 ( )은 예외적으로 외력에 의해 부스러지기 쉽고, 탄소 원자의 원자가 전자 4개 중에서 1개가 이동할 수 있어서 전기 전도성이 있다. ⑥ 금속 결합 ￭ 금속 결합의 형성 - ( ) ➜ 금속은 이온화 에너지가 ( 커 / 작아 ) 쉽게 원자가 전자를 잃어 금속 양이온이 된다. 금속에서 떨어져 나온 원자가 전자는 금속 양이온 사이를 자유롭게 이동할 수 있으므로 자유 전자라고 한다. - 금속 결합과 금속 결정 ➜ 금속 양이온과 자유 전자 사이의 정전기적 인력에 의한 화학 결합을 금속 결합이라고 하며, 금속 결합으로 이루어진 결정을 금속 결정이라고 한다. - 전자 바다 모형 ➜ 금속 결합의 모형을 전자 바다 모형이라고도 하는데, 마치 전자가 넓게 퍼져있는 전자의 바다 속에 금속 양이온이 규칙적으로 배열된 구조를 하고 있다는 의미에서 붙여진 이름이다.
￭ 금속 결합의 성질 - 금속 결정이 금속 특유의 성질을 나타내는 것은 ( ) 때문이다. ➜ 금속의 색과 광택 : 금(노란색), 구리(붉은색), 망가니즈(검은색) 등을 제외한 대부분의 금속은 은백색 광택을 내는데, 이는 ( )들이 가시광선 영역의 모든 파장의 빛을 흡수했다가 다시 방출하기 때문이다. ➜ 전기 전도성 : 금속에 전압을 걸어 주면 자유 전자가 ( )극 쪽으로 일정하게 이동하기 때문에 금속은 전기 전도성이 매우 크다. ➜ 열 전도성 : 열에너지를 얻어 운동이 활발해진 자유 전자가 주변의 자유 전자와 금속 양이온에게 열에너지를 전달하므로 금속은 열 전도성이 크다. 자유 전자가 없는 이온 결정이나 분자 결정에서는 에너지가 한 입자로부터 다음 입자로 차례로 조금씩 전달되기 때문에 열의 전달이 느리게 일어난다. ➜ 연성과 전성 : 금속은 연성과 전성이 매우 큰데, 이는 외부에서 힘이 가해져 금속 양이온의 층이 미끄러지면서 변형이 일어나도 자유 전자가 금속 양이온 사이로 쉽게 이동하여 새로운 위치에서 금속 결합을 형성하기 때문이다. ➜ 녹는점 : 금속은 ( )과 ( )가 강한 정전기적 인력으로 결합하여 일반적으로 녹는점이 높아 상온에서 대부분 ( ) 상태로 존재한다. 예외적으로는 수은은 녹는점이 낮아 상온에서 유일하게 액체 상태이며, 칼륨, 나트륨과 같은 알칼리 금속의 녹는점은 다른 금속에 비해 낮은 편이다. 이와 같이 금속의 녹는점이 차이가 나는 까닭은 금속의 종류에 따라 금속 양이온과 자유 전자 사이의 결합력이 다르기 때문이다.
< 탐구 > 화학 결합의 상대적 세기 비교하기
￭ 목표 : 고체 결정의 녹는점으로 화학 결합의 상대적 세기를 비교할 수 있다. ￭ 배경지식 - 화학 결합의 상대적 세기와 녹는점 ➜ 일반적으로 녹는점이 높은 물질일수록 그 물질을 이루는 화학 결합의 세기가 강한데, 이는 화학 결합의 세기가 강할수록 결합을 끊기 위해 많은 에너지가 필요하기 때문이다. - 고체 결정의 종류와 화학 결합 결정의 종류 이온 결정 공유 결정 금속 결정 단위 입자 화학 결합 물질의 예 그림은 몇 가지 고체 결정의 녹는점을 나타낸 것이다. ￭ 정리 1. 각 고체 결정을 이온 결정, 공유 결정, 금속 결정으로 분류해 보자. 이온 결정 공유 결정 금속 결정 2. 각 고체 결정의 녹는점으로 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합의 상대적 세기를 비교해 보자. ✍ 고체 결정의 녹는점은 ( ) > ( ) > ( ) > ( ) > ( ) 순이다. 화학 결합의 세기가 강할수록 녹는점이 높으므로 제시된 고체 결정에서 화학 결합의 세기는 ( ) > ( ) > ( ) 순이다. ⑦ 화학 결합의 상대적 세기 비교 ￭ 일반적으로 공유 결정의 녹는점이 가장 높으며, 이온 결정, 금속 결정 순으로 녹는점이 높으므로 결정을 이루는 화학 결합의 세기도 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 순으로 강하다. ￭ 이온 결정과 금속 결정은 모두 정전기적 인력에 의한 결합으로 이루어져 있지만, 금속 양이온과 비금속 음이온 사이의 이온 결합력이 금속 양이온과 자유 전자 사이의 금속 결합력보다 강하므로 일반적으로 이온 결정의 녹는점이 금속 결정의 녹는점보다 높다.*** < 참고 > 고체 결정의 분류 *** *** < 참고 > 흑연의 전기 전도성 *** 탄소 원자의 원자가 전자 4개 중 3개가 정육각형 그물 모양을 이루는 데 사용되고, 남은 1개는 층과 층 사이에 약하게 결합되어 이동할 수 있다. 따라서 흑연은 공유 결 합 물질이지만 예외적으로 고체 상태에서 전기 전도성이 있다.
03. 결합의 극성
① 전기 음성도 ￭ 전기 음성도의 정의 - 서로 다른 종류의 원자들이 공유 결합을 형성할 때에는 공유 전자쌍이 어느 한쪽으로 치우치게 된다. 이것은 두 원자가 전자쌍을 끌어당기는 힘에 차이가 있기 때문이다. 공유 결합을 형성하고 있는 원자 들이 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘을 상대적 수치로 나타낸 값을 ( )라고 한다. - 전기 음성도라는 용어는 이전부터 사용되었지만 전기 음성도에 구체적인 값을 부여한 것은 1932년 미국의 과학자 폴링이 처음이었다. 폴링은 결합 에너지를 바탕으로 플루오린(F)의 전기 음성도를 4.0으로 정하고, 이를 기준으로 다른 원소들의 전기 음성도를 상대적으로 정하였다. ￭ 전기 음성도의 주기성 - 원자핵의 전하량이 커질수록, 원자의 크기가 작을수록 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘이 커지므로 전기 음성도가 커진다. ➜ 같은 주기 : 원자 번호가 커질수록 유효 핵전하가 증가하여 원자핵과 전자 사이의 인력이 증가하므로, 전기 음성도가 대체로 ( 커 / 작아 )진다. ➜ 같은 족 ; 같은 족에서는 원자 번호가 커질수록 전자 껍질 수가 많아져 원자핵과 전자 사이의 인력이 감소하므로, 전기 음성도가 대체로 ( 커 / 작아 )진다. ➜ 금속 원소는 전자를 잃기 쉬우므로 전기 음성도가 ( 크 / 작 )고, 비금속 원소는 전자를 얻기 쉬 우므로 전기 음성도가 ( 크 / 작 )다. 금속 원소의 전기 음성도는 대부분 2.0보다 작고, 비금속 원소 의 전기 음성도는 대부분 2.0보다 크다.② 쌍극자 모멘트와 결합의 극성 ￭ ( ) 공유 결합 - H2, N2, F2 등과 같이 전기 음성도가 같은 원자 사이의 공유 결합이다. 전기 음성도 차이가 ( )이므로 분자 내의 공유 전자쌍이 어느 한쪽으로 치우치지 않으며 전하는 대칭적으로 고르게 분포한다. ￭ ( ) 공유 결합 - HCl, HF, H2O, CO2 등과 같이 전기 음성도가 다른 원자 사이의 공유 결합이다. 전기 음성도가 서로 다른 원자가 서로 공유 결합을 형성하면 공유 전자쌍이 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 치우치므로, 전기 음성도가 큰 원자는 부분적인 음전하( )를 띠고, 전기 음성도가 작은 원자는 부분적인 양전하( )를 띤다.
￭ 쌍극자 모멘트 - 극성 공유 결합을 형성하고 있는 이원자 분자는 전자가 비대칭적으로 분포되어 있으므로 분자의 양끝이 ( )를 띤다. 이와 같이 크기는 같고 부호가 반대인 두 전하가 서로 떨어져 있는 것을 ( )라고 하며, 쌍극자 크기의 정량적 척도는 ( )로 나타낸다. - 쌍극자 모멘트는 두 전하 와 가 거리 만큼 떨어져 있을 때 전하량()과 두 전하 사이의 거리 ()를 곱한 벡터양이며, 방향은 ( )전하로부터 ( )전하 쪽으로 향한다. *** < 참고 > 쌍극자 모멘트와 벡터양 *** 쌍극자 모멘트는 전하량의 크기와 방향을 모두 나타내는 벡터양이다. 벡터양을 그림으로 표시할 때는 화살표를 사용하 는데, 화살표의 방향은 벡터의 방향과 일치시키고, 화살표의 길이는 벡터의 크기에 비례하여 나타낸다. - 극성 공유 결합 물질의 쌍극자 모멘트 ➜ 극성 공유 결합을 이루고 있는 분자에서 서로 다른 두 원자의 전기 음성도는 같지 않다. 따라서 전기 음성도 차이로 공유 전자쌍이 치우쳐 전하가 분리되므로 극성 공유 결합을 이루고 있는 분자 들은 결합의 ( )가 존재한다.
*** < 참고 > 전기 음성도 차이에 따른 화학 결합의 구분 *** 결합한 두 원자의 전기 음성도 차이()에 의해 결합의 이온성과 공유성이 결정된다. ① =0 : 결합의 이온성이 0이다. ➜ 전기 음성도 차이가 없는 두 원자 사이의 결합은 무극성 공유 결합이다. ② < 1.7 : 결합의 이온성이 50%보다 작다. ➜ 전기 음성도 차이가 비교적 작으면 전자쌍이 한쪽으로 치우쳐 극성 공유 결합을 이룬다. (단, LiI은 가 1.5지만 이온 결합으로 분류) ③ > 1.7 : 결합의 이온성이 50%보다 크다. ➜ 전기 음성도 차이가 매우 크면 전자가 한쪽으로 이동하여 이온을 형성한 후 이온 결합을 이룬다. (단, HF는 가 1.9지만 극성 공유 결합으로 분류)
04. 루이스 전자점식
① 루이스 전자점식 ￭ 루이스 전자점식 - 원소 기호와 그 원소가 가지는 ( ) 수를 ( )으로 표시하여 나타낸다. - 한 개의 점은 하나의 오비탈에 들어 있는 전자 한 개를 의미하고, 쌍을 이루지 않은 전자를 ( )라고 한다.￭ 공유 결합 물질의 루이스 전자점식 - 공유 결합 물질을 루이스 전자점식으로 나타낼 때에는 공유 결합 물질을 구성하는 각 원자들이 옥텟 규칙을 만족하도록 해야 한다. - 루이스 구조 ➜ 루이스 전자점식보다 간단하게 화학결합을 나타내는 방법으로 공유 전자쌍을 선()으로 나타내며 비공유 전자쌍은 생략하기도 한다. - 다중 결합의 표현 방법 ￭ 이온 결합 물질의 루이스 전자점식 - 금속 원자의 루이스 전자점식에서 비금속 원자의 루이스 전자점식으로 이동한 전자 수만큼 점을 이동 시켜 물질을 구성하는 원자가 옥텟 규칙을 만족하도록 한다. 그 후 대괄호([ ])를 하고 오른쪽 위에 이온의 전하수를 표시한다.
< 탐구 > 루이스 전자점식 표현하기
￭ 목표 : 원자, 분자, 이온, 화합물을 루이스 전자점식으로 표현할 수 있다. ￭ 정리 1. 수소, 탄소, 질소, 산소 원자의 루이스 전자점식에서 홀전자 수는 각각 몇 개인지 써 보자. ✍ 2. 공유 결합 물질인 수소, 물, 암모니아, 이산화 탄소의 분자에서 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍은 각각 몇 개인지 써보자. 물질 수소 물 암모니아 이산화 탄소 공유 전자쌍 수 비공유 전자쌍 수 3. 이온 결합 물질인 염화 나트륨, 산화 칼슘의 구성 입자를 루이스 전자점식으로 나타내는 방법을 설명해 보자. ✍*** < 참고 > 루이스 전자점식에서 옥텟 규칙의 예외 *** ․ NO : 화합물의 원자가 전자수의 합이 11로 홀수이므로 N, O 모두 옥텟 규칙을 만족할 수 없다. ․ BF3 : 중심 원자에 6개의 전자가 배치된다. ․ BeF2 : 중심 원자에 4개의 전자가 배치된다. ․ 황(S)이나 인(P)처럼 3주기 또는 그 이후의 주기에 속하는 원소가 중심 원자인 화합물은 중심 원자에 8개보다 많은 전자들을 배치하는 확장된 옥텟 규칙을 적용하여 루이스 전자점식을 나타내야 한다. (ex: SF6, PF5) *** < 참고 > 원자가와 결합선 *** 루이스 전자점식으로 표시한 원자에서 쌍을 이루지 않은 홀전자가 화학 결합을 형성하는 데 참여하므로 이 홀전자의 수를 공유 원자가라고 한다. 공유 결합을 형성하는 분자에서 각 원자는 자신의 공유 원자가 수만큼의 결합선을 가지게 된다.
2. 분자의 구조와 성질
01. 분자의 구조
① 전자쌍 반발 이론 ￭ 전자쌍 반발 이론 - 공유 결합으로 형성된 분자에서 중심 원자를 둘러싸고 있는 전자쌍들은 그들 사이의 정전기적 반발 때문에, ( )을 최소로 하기 위해서 가능한 한 멀리 떨어지려는 방향으로 배치된다는 이론 ￭ 풍선을 이용한 전자쌍의 배치 모형 - 고무풍선은 부피가 있어서 서로 밀어내므로, 중심 원자의 원자핵 주위에 존재하는 전자쌍 사이의 반 발을 비유적으로 나타낼 수 있다. ￭ 결합각 - 공유 결합의 특징 중 하나는 결합각이 일정하다는 것이다. 분자에서 중심 원자의 핵과 중심 원자와 결합한 두 원자의 핵을 연결한 선이 이루는 내각을 결합각이라고 한다. 결합각은 결합 길이와 마찬가지로 X선 회절법이나 분자 스펙드럼 등으로 측정한다.② 분자의 구조 ￭ 전자쌍 사이의 반발력의 크기 비교 - ( ) 전자쌍은 두 원자핵에 동시에 끌리는데 비해 ( ) 전자쌍은 하나의 원자핵에만 끌리기 때문에, 상대적으로 납작하면서 더 넓은 공간에 분포한다. 따라서 비공유 전자쌍은 주변의 전자쌍에 더 ( 큰 / 작은 ) 반발력을 작용한다. - 전자쌍 사이의 반발력의 상대적 세기 ￭ 중심 원자에 공유 전자쌍만 있는 분자의 구조 - 중심 원자가 비공유 전자쌍을 갖고 있지 않을 때에는 중심 원자에 결합된 원자 수에 의해서만 분자 의 모양이 결정된다.
￭ 중심 원자에 비공유 전자쌍이 존재하는 분자의 구조 - 중심 원자에 비공유 전자쌍이 존재하는 분자는 중심 원자 주위의 전체 전자쌍 수로부터 전자 배치를 결정한 다음, 전자쌍 배치 모형에서 비공유 전자쌍을 제외하고 분자의 구조를 결정한다. - 비공유 전자쌍에 의한 반발력이 크므로, 비공유 전자쌍이 많을수록 결합각이 작아진다. ￭ 중심 원자에 다중 결합이 존재하는 분자의 구조 - 다중 결합의 전자쌍은 같은 두 원자핵 사이에 공유된 것이므로, 분자의 모양을 결정할 때 다중 결합 을 한 개의 결합으로 취급한다.
< 탐구 > 분자의 구조를 모형으로 나타내기
￭ 목표 : 분자의 구조를 결정하여 분자 모형으로 나타낼 수 있다. ￭ 배경 지식 - 중심 원자의 전자쌍 수가 같아도 비공유 전자쌍이 존재하면 분자 구조가 달라지며, 비공유 전자쌍 수가 증가할수록 결합각이 감소한다. - 분자 구조 예측 순서 1) 루이스 전자점식을 그린다. 2) 중심 원자 주위의 전자쌍의 총수를 구한다. 이때 다중 결합의 경우에는 단일 결합과 같이 전자쌍 하 나로 취급한다. 3) 중심 원자의 전자쌍 수에 따라 전자쌍의 공간 배치를 결정하고, 전체 전자쌍 수로부터 분자의 구조 를 예측한다. 4) 비공유 전자쌍이 존재하는 경우 비공유 전자쌍의 반발을 고려하여 결합각을 예측한다. ￭ BeCl2, BCl3, SiH4, NF3, H2S 분자의 구조를 예측하는데 필요한 자료를 표에 채워보고 분자 구조를 예측해 보자. 분자 루이스 전자점식 중심 원자 주위에 있는 전자쌍의 수(개) 분자 구조 공유 전자쌍 비공유 전자쌍 BeCl2 BCl3 SiH4 NF3 H2S*** < 참고 > SO2과 SO3의 분자 구조 비교 *** SO2과 SO3은 중심 원자인 황(S) 원자 주위의 전자쌍은 총 3개로 같지만 SO2은 굽은 형이고 SO3은 평면 삼각형이다. *** < 참고 > 중심 원자가에 공유 전자쌍의 수가 5, 6인 경우 분자의 구조 *** 중심 원자가 3주기 이상의 원소일 때는 오비탈이 존재하므로 옥텟 규칙을 따르지 않는 경우가 생긴다. 예를 들어 PF5은 중심 원자 P 주위에 공유 전자쌍이 5개이고, SF6은 중심 원자 S 주위에 공유 전자쌍이 6개이다. 공유 전자쌍이 5개인 경우는 전자쌍 반발 이론에 따라 삼각쌍뿔형, 공유 전자쌍이 6개인 경우는 정팔면체의 분자 구조를 갖는다. *** < 참고 > 입체적인 분자의 구조 나타내기 *** 3차원 구조를 갖는 분자의 구조를 평면상에 나타내기 위해 다음 기호를 사용한다. ․ 실선( ) : 평면에 있는 결합 ․ 두꺼운 쐐기( ) : 평면 앞으로 향하는 결합 ․ 점선 쐐기( ) : 평면 뒤로 향하는 결합 *** < 참고 > 중심 원자가 2개 이상인 분자의 구조 *** 전자쌍 반발 이론을 적용하면 중심 원자가 2개 이상인 분자의 구조도 예측할 수 있다. 아세트산(CH3COOH)의 분자 구조는 탄소와 산소 원자 주위의 전자쌍 배치로부터 예측할 수 있다.
02. 분자의 구조와 성질
① 무극성 분자와 극성 분자 ￭ 분자의 극성과 쌍극자 모멘트 - 분자 내에 전하가 고르게 분포되어 부분적인 전하를 띠지 않는 분자는 무극성 분자 ➜ 쌍극자 모멘트의 합 : - 분자 내에 전하가 한쪽으로 치우쳐 부분적인 전하를 띠는 분자는 극성 분자 ➜ 쌍극자 모멘트의 합 : ￭ 2개의 원자가 결합한 이원자 분자의 극성 여부 - 같은 원소로 이루어진 이원자 분자 : 무극성 공유 결합을 하므로 ( ) 분자이다. - 다른 원소로 이루어진 이원자 분자 : 극성 공유 결합을 하여 쌍극자 모멘트가 0이 아니므로 ( ) 분자이다. ￭ 쌍극자 모멘트의 합 - 쌍극자 모멘트는 ( )와 ( )을 가진 벡터양이다. - 벡터의 표현 : 벡터를 표시할 때에는 화살표로 나타내며, 이때 화살표의 길이가 벡터의 크기를, 화살표 의 방향이 벡터의 방향을 나타낸다. - 벡터의 합 : 2개의 벡터를 이웃한 두 변으로 하는 평행사변형을 그렸을 때, 두 벡터의 출발점에서 평행사변형의 반대편 꼭짓점으로 그린 대각선이 두 벡터의 합이다. - 같은 크기의 세 힘이 120° 각도로 작용하는 경우 전체 합력은 0이 된다.￭ 3개 이상의 원자가 결합한 분자의 극성 여부 - 극성 공유 결합으로 생성된 무극성 분자 ➜ 분자의 3차원 구조가 대칭 구조를 이루는 경우에 쌍극자 모멘트가 서로 상쇄되어 분자 전체는 쌍극자 모멘트가 ( )이므로 ( ) 분자이다. - 극성 공유 결합으로 생성된 극성 분자 ➜ 중심 원자에 결합된 원자들이 모두 같은 종류가 아니거나 중심 원자가 비공유 전자쌍을 가지고 있는 비대칭 구조를 이루는 경우에는 쌍극자 모멘트가 상쇄되지 않아 쌍극자 모멘트의 합이 0이 아니므로 ( ) 분자이다.
< 탐구 > 물질의 극성 확인하기
￭ 목표 : 무극성 분자로 이루어진 물질과 극성 분자로 이루어진 물질의 성질을 확인할 수 있다. 뷰렛을 스탠드에 설치하고 뷰렛에 물을 넣어 가느다란 물줄기가 흐르도록 한 다음, 명주 헝겊으로 문지른 플라스틱 자와 유리 막대를 각각 물줄기에 가까이 한다. ✍ 물줄기는 각각 어떻게 되는가? ➜ 1. 시험관 한 개에 물과 헥세인을 10mL씩 넣고 흔든 뒤 변화를 관찰한다. 2. 과정 1의 시험관에 아이오딘 조각을 넣은 뒤 변화를 관찰한다. ✍ 시험관에서는 어떤 변화가 일어나는가? ➜ ￭ 자료 해석과 논의 1. 실험(가)에서 물줄기의 방향이 변하는 까닭을 설명해 보자. ➜ 2. 실험(나)에서 과정 1과 2의 결과를 분자의 극성과 관련지어 설명해 보자. ➜ ( ) 분자인 물과 ( ) 분자인 헥세인은 서로 섞이지 않으므로 두 개의 층으로 분리된다. 아이오딘(I2)은 ( ) 분자이므로 극성인 물보다 무극성인 헥세인에 더 잘 용해되어 헥세인 층 이 ( )으로 변한다. 따라서 극성 분자와 무극성 분자는 서로 섞이지 않고, 무극성 물질은 무극성 용매에 잘 용해된다는 것 을 알 수 있다.② 무극성 분자와 극성 분자의 성질 ￭ 전기적 성질 - 전기장에서의 배열 ➜ 기체 상태의 극성 분자는 전기장 안에서 (+)전하를 띤 부분()은 ( )극판 쪽으로, (-)전하를 띤 부분()은 ( )극판 쪽으로 일정한 방향을 이루어 배열한다. ➜ 그러나 무극성 분자는 전기장의 영향을 받지 않으므로 전기장 속에서도 방향성을 나타내지 않는다. - 대전체의 영향 ➜ 대전체가 띠고 있는 전하의 종류에 관계없이 극성 분자가 대전체로 끌려간다. ￭ 용해성 - 일반적으로 극성 분자와 무극성 분자는 서로 잘 섞이지 않는다. - 극성 분자는 ( ) 용매에 잘 용해되고, 무극성 분자는 ( ) 용매에 잘 용해된다. ➜ 극성 분자끼리는 서로 반대 전하를 띤 부분 사이에 강한 인력이 작용하여 서로 잘 섞이지만, 극성 분자와 무극성 문자를 섞으면 극성 분자끼리만 강한 인력이 작용하여 무극성 분자는 극성 분자 사이로 섞여 들어가지 못하기 때문이다. ex) 탄화수소의 기다란 사실로 구성된 기름은 무극성 물질이므로 물과 잘 섞이지 않지만, 극성 물질인 에탄올은 물과 서로 잘 섞인다.
￭ 끓는점 - 분자량이 비슷한 경우 극성 분자로 이루어진 물질의 끓는점은 무극성 분자로 이루어진 물질의 끓는점 보다 ( 높 / 낮 )다. ➜ 분자량이 비슷한 극성 분자는 무극성 분자보다 분자간 힘이 크게 작용하기 때문이다. ex) 암모니아의 분자량은 17이고 메테인의 분자량은 16으로 거의 비슷하지만, 극성 분자인 암모 니아의 끓는점은 33℃이고, 무극성 분자인 메테인의 끓는점은 166℃로 차이가 매우 크다. *** < 참고 > 무극성 분자와 극성 분자의 쌍극자 모멘트 *** 분자의 쌍극자 모멘트가 클수록 극성이 강하다. *** < 참고 > 힘의 합성 방법을 이용한 분자의 극성 판단 *** *** < 참고 > 분자의 구조와 극성의 세기 *** 분자식이 같은 물질도 분자의 구조에 따라 극성의 세기가 달라진다. 에탄올과 다이메틸 에테르는 분자식이 같고 모두 극성 분자이다. 그러나 분자의 구조가 다르기 때문에 극성의 세기가 다르다. 에탄올이 다이메틸 에테르보다 극성이 더 크기 때문에 끓는점도 높고 물에 더 잘 용해된다.
