원자는 서로 결합을 하여 분자가 되고 한 개 혹은 두 개 이상의 분자가 모여 물질이 된다. (여기서의 물질은 물체를 이루는 존재로 고전적 의미의 물질이다.)
원자 간 결합 방법은 여러가지가 있는데 여기서는 5가지에 대하여 알아볼 것이다.
1. 이온결합
2. 공유결합
3. 수소결합
4. 반데르발스 힘
5. 소수성 상호작용
1. 이온결합은 전기음성도 차이가 큰 두 원자가 서로의 전자를 교환하며 결합하는 것이다. 식용 소금의 주 성분인 염화 나트륨의 예를 들어보자.
'원자의 구조와 역사 - 1'글 (위 '원자' 링크)에 나와있는 탄소 그림과 같이 나트륨과 염소의 원소를 그려 설명하겠다.
<그림 1> Na 와 Cl 의 정전기적 결합 (이온결합)
결론부터 말하면 옥텟규칙(두 겹 이상의 전자 막에서 전자가 8개일 때 가장 안정적인 상태, 아직 개별 글을 작성하지 않아서)에 의해 두 원자가 안정적인 상태가 되기 위해 나트륨의 전자가 파란색 선(저렇게 직선으로 이동한다는 것은 아니다.)을 따라 이동해 염소에 붙는다.
(글을 쓰면서 헷갈리던게 '중성' 과 '안정적인 상태' 였다. 중성이라고 안정한 상태인 것은 아니다. 나만 헷갈렸나...)
대부분의 분자들은 옥텟규칙을 만족하는 상태로 존재하기 때문에 <그림 1> 을 이용하면 대부분의 경우 적용이 가능할 것이다.
2. 공유결합은 원자간 전자를 '교환' 하였던 이온결합과 달리 전자를 '공유' 하는 것이다.
이온결합과 달리 공유결합은 전기음성도 차이가 작은 원자간 결합이다.
공유결합을 설명하기 위해서는 산소 원자 두 개의 결합인 산소 분자(O2) 로 설명해보자.
<그림 2> 산소 원자 두 개의 공유결합
이번에도 결론부터 말해볼까. 식상한데...
결론부터 말하면 기존에 최외각 전자가 6개여서 불안정했던 산소 원자가 서로 전자를 두 개씩 공유하며 안정된 상태가 된다. (결합)
공유결합 결과 극성 분자와 무극성 분자로 결과물이 나타난다. (산소 분자의 경우 전기음성도 차이가 없기 때문에 무극성이다.)
(공유결합은 뭔가 전자쌍을 공유함으로써 안정성을 갖는다는게 요새 핫한 '창조' 의 그것과 유사하다.)
참고로 공유결합은 분야마다 다른데 '생물학' 에서는 매우 강한 결합이다.
3. 수소결합은 'FON + H' 이다.
전기음성도가 큰 F(플루오린, 불소),O(산소),N(질소) 과 H(수소)의 결합이 포함된 분자 사이에 작용하는 결합이다.
<그림 3> 물 분자 ($H_2O$)
<그림 3> 은 물 분자의 모습이다. (사이 각은 104.5도 이지만 지금은 설명하지 않겠다.)
전기음성도가 큰 산소원자 쪽이 전자를 끌어오는 힘이 강하기 때문에 산소원자 쪽이 '약간' -전하를 나타내고 수소원자 쪽이 '약간' +전하를 나타내게 된다.
<그림 4> 물 분자의 수소결합
이러한 특성에 의해 <그림 4> 와 같은 결합을 하고 이를 '수소결합' 이라 한다.
+ (생물학에서) 수소결합은 상대적으로 약한 결합이라 쉽게 파괴된다. (ex> 고온에서 단백질(2차구조)의 파괴)
여기까지가 수소결합이고 다음은 반데르발스의 힘이다.
4. 반데르발스 힘
반데르발스 힘은 '무극성 분자' 내에서 힘을 받아 전하를 띠는 부분이 생겨 분자들 사이에서 인력이 작용하며 생기는 결합이다.
'무극성 분자'란 원자간 결합을 할 때 원자들이 평행하게 결합할 경우 '극성'을 나타내지 않는 것이다.
무극성 분자는 서로 힘의 간섭이 없는데 흔드는 등의 행위를 통해 분자간 '유도 쌍극자' 를 통해 결합하는 형태이다.
<그림 5> 반데르발스 힘
이후 무극성 분자는 극성 분자가 되어 서로 인력을 갖게 된다. (이때의 극성 분자를 '유도 쌍극자' 라 한다.)
여기까지가 반데르발스 힘이고 마지막으로 소수성 상호작용에 대해 알아보겠다. (반데르발스 힘에 대한 설명이 좀 후지다.)
5. 소수성 상호작용
소수성 상호작용은 '소수성' 이란 말을 알아보면 쉽다. '소수성' 은 한자로 疏水性 이고 '물과 친하지 않은 성질' 을 의미한다. (참고문헌 1.)
<그림 6> 소수성 상호작용
<그림 6> 을 참고해서 설명하자. 위에서 말했던 '소수성' 물질의 예로 '지질' 이 있다. 지질은 글리세롤 + 지방산 3개로 이루어져있으며 '무극성' 이다. 그에 반해 수소결합에서 보았던 물은 '극성' 이다.
이렇듯 극성/무극성으로 나누어 서로 모이는 것을 '소수성 상호작용'이라고 한다.
여기서 주의할 점은 극성은 극성끼리, 무극성은 무극성끼리 적극적으로 모인다기보다 '극성끼리 결합하려 하다보니 무극성은 자연스레 밀려나 자기들끼리 존재한다.' 라고 하는 것이 맞는 표현일 것이다.
여기까지가 5가지 원자 간 결합이다.
<참고 문헌>
참고문헌 1. 네이버 한자사전, 소수성 http://hanja.naver.com/word?q=%E7%96%8F%E6%B0%B4%E6%80%A7
<그림>