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Chapter4. 화학결합

Ⅱ-4-1. 화학결합의 종류

 Ⅱ-4-2. 공유결합과 분자.

 

학습목표

1. 입자의 모형을 이용하여 화학결합이 형성되는 원리를 안다.

2. 물질의 성질이 물질을 이루는 화학결합에 의해 결정됨을 안다.

1-1. 이온결합
[1] 이온의 형성.
 (1)
Octet형성(불활성기체의 전자배열)을 위해 전자를 잃거나 얻어 이온이 형성
  ①
금속원자 - 전자(e-) 양이온
    (예)
Na - e- → Na+ (K=2, L=8   10Ne의 전자배열)

  ②
비금속 원자 + 전자(e-) 음이온
    (예)
Cl+ e- → Cl- (K=2, L=8, M=8. ▶ 18Ar의 전자배열)


 ※ 양이온 되기 쉬운 원소 ▶ 1, 2, 13족의 금속원소
           
음이온 되기 쉬운 원소 ▶ 15, 16, 17족의 비금속원소

 (2) Lewis의 점전자 구조식 ; 각 원자의 최 외각 전자으로 표시한식          
 (3) 이온 결합의 형성
  (가) 양이온과 음이온사이에 작용하는 힘

 (나) 이온결합 물
 ①
양이온과 음이온사이의 정전기적 인력(쿨롱의 힘)에 의한 결합
 
금속(1,2,13족) + 비금속 (16,17족 및 음성 라디칼)
 ③ 양이온과 음이온의 위치에너지 ⇨ 최소가 되는 위치에서 결합이 형성됨.
 ④ 이온결합에 의해서 생긴 물질 = 이온 성 결정
    ☆ NaCl = 염화나트륨 결정
 ⑤ 양이온
Mm+과 음이온Xn-사이의 결합물
    
(양이온가수×원자수)+(음이온가수×원자수) = 0
    Mm+ Xn- → MnXm
    ☆ 이온 결합물의 양이온과 음이온의 전하량의 합은 0
이어야 함

(예) Al+3 O-2Al2O3 (3×2 +(-2)×3 = 0)
       Ca
+2 Cl-CaCl2 (2×1 +(-1)×2 = 0)
       Mg
+2 O-2→ Mg2O2 MgO (2×2 +(-2)×2=0)

(4) 이온결정의 구조

  ① 이온결합물은 양이온과 음이온이 규칙적으로 배열 ▶ 이온결정      
    

 (5) 이온반경
 (가) Ion반경
 ① 핵 간거리 : 양이온 원자핵과 음이온 원자핵 사이의 거리
 ②
이온반경 : 각 이온의 중심에서 두 이온이 접촉한 면까지의 거리
    
∴ 핵간 거리 = 두 이온의 반지름의 합
                 

원자

전자배치

원자반경(nm)

이온

전자배치

원자반경(nm)

K

L

M

K

L

M

O

2

6


0.066

O-2

2

8


0.149

F

2

7


0.064

F-

2

8


0.136

Na

2

8

1

0.157

Na+

2

8


0.095

Mg

2

8

2

0.136

Mg+2

2

8


0.065

 ③ 이온 반경 작을 수록, 이온 전하량이 클 수록 Ion주위의 전기장의 세기 커짐.

(나) 이온 반경의 주기성
  ①
동족 : 원자번호 大  ▶ 이온반경 大 (전자껍질수가 많기)
   (예) Na+ = 0.116nm K+ = 0.152nm
☆ 1nm =10-9m =10Å

  ② 동 주기 :
   ㉮
전하의 종류가 같으면 : 원자번호大 이온반경小 (핵 전하량 大)
   (예)
11Na+ > 12Mg+2 > 13Al+3 . 7N-3 > 8O-2 > 9F- .

  ㉯
전하의 종류가 다르면 ;
     ☆
양이온 반경 < 음이온 반경(전자 껍질수가 다르기 때문)
   (예)
S-2(K2, L8, M8) > Mg+2 (K2,L8)
     ☆
등전자 이온 : O-2> F-> Na+> Mg+2> Al+3. (핵 전하량의 차)
  ③ 이온 반경과 원자 반경
    ㉮
양이온 반경< 원자반경 ( Na+ < Na )
    ㉯
음이온 반경 > 원자반경 ( Cl- > Cl )
    ㉰
양이온과 음이온 모두를 만드는 원자가 있다면
       ※  
양이온 반경< 원자반경 < 음이온반경

  (예) 이온의 화학적 성질 = 전하 밀도의 척도에 의해 결정
    ☆
전하 밀도 = 이온의 전하량/ 이온의 반지름
        
Be+2의 전하 밀도 = 2/0.041 = 0.0205
         
Al+3의 전하 밀도 = 3/0.067 = 0.0223 으로 비슷 ∴ 두이온의 성질은 비슷

 (문) N+5은 양 전하량이 크고, 이온 반지름이 작다. N+5은 불안정하여 3개의 O-2을 끌어 들여
      NO
3-이 되어 안정화됨
   <해> N
+5 O-2 = -1 (5×1 +(-2)×3 =-1) ∴ NO-3

 (6) 이온결합(ionic bond)물의 성질
 (가) 전기 전도성.
  ① 고체(결정) 상태 : 전기의 부도체
결정중의 이온이 다른 이온에 둘러 싸여 이동이 어렵기
      때문.
  ② 용융 상태 및 수용액 : 전기의 양도체
이온들이 자유롭게 이동하기 때문.
    (예) NaCl(l) NaCl(aq) NaOH(aq).....등

 (나) 물에 대한 용해성
 ① NaCl ( ion성 결정 )은 - 물에 잘 용해.
   ※ Na+ 과 Cl-사이에 정전기적 인력이 작용 (고체)- 이 인력은 용매 속에서 현격히 감소
      (진공속의 1/79) ☞ Na+ 과 Cl-은 물 분자와 섞임
 ② 수화 :
Na+이나 Cl-이 물 분자와 전기적 인력에 의해 강하게 결합하는 현상    
 (다) 녹는점과 끓는점
 ① 이온의 전하가 클수록 결합력 증가 ▶ m.p 및 b.p 高
  (예) Na
2O < MgO
 ② 이온간의 거리가 짧을수록 결합력 증가 ▶ m.p 및 b.p 高
 ③ 두 이온사이에 작용하는 힘은 거리에 반비례하고 전하량의 곱에 비례함.
  쿨롱의 법칙       
    ( f = 쿨롱의힘, r = 이온간의거리 k = 상수 q+, q-=양, 음이온의 전하량)  

성질

전하량

+1 이온과 -1가 이온

+2 이온과 -2가 이온

화합물

Na+F-

Na+ Cl-

K+ I-

Mg+2 O-2

Ca+2 O-2

이온간 거리 (nm)

0.230

0.278

0.353

0.205

0.239

녹는점 (m.p ℃)

870

800

723

2,800

2,572

꿇는점 (b.p ℃)

1,676

1,413

1,330

3,600

2,850

(라) 이온결정의 부스러짐
 ① 이온결정은 양. 음이온사이의 쿨롱의 인력에 의해 매우 단단함
 ② 힘을 가하면 이온층이 밀려
같은 전하를 띤 이온간의 반발 때문에 부서짐.  <문제> 다음 중 이온결합물의 성질이 아닌 것은?
           ① m.p 및 b.p가 높다
           ② 물과 같은 극성 용매에 잘 용해된다.
           ③ 단단하나 힘을 가하면 부서진다.
           ④ 고체 액체 모두 전기의 양도체이다.
           ⑤ 이온성 결정을 이룬다

 1-2. 공유결합

 [1] 공유결합의 형성
  
① 비금속 원소 + 비금속 원소 (H+Cl, H+F, H+O)
      
탄소 화합물 (C+H, C+Cl..)
      
비금속의 단체 (H2, O2, N2, Cl2...)
  
원자가 전자가 5개 이상의 원소(비금속 원소) ▶전자를 끄는 힘(전자 친화도)
      
큰 원자는 전자쌍을 서로 주고받으므로(共有) ▶ 옥테트를 형성하는 결합

 (1) 루이스(Lewis)의 점 전자 구조식
  ① 원자가 전자 = 1개 - 8개 ( 8개일 때 안정 ; Octet)       
               
   ※ 8개의 전자를 2개씩 짝을 이룸

  
② 최 외각 전자 7개인 원자 ▶ 3쌍의 짝 고립전자쌍(비 공유 전자쌍)
                                              1개의 부대전자(홑 전자)로 구성         

 (2) 공유결합의 분자형성
   ① H
2 분자의 공유결합    
  ② HCl분자의 공유결합
      

   ※ 구조식 : 공유 전자쌍의 수와 같은 선으로 표시한 식 ( 구조식에는 비공유 전자쌍은 생략함)
    ※ 공유 전자쌍 1쌍 :
단일결합 ▶ H-H, H-F, Cl-Cl
                          2쌍 :
이중결합 ▶ O=O, O=C=O
                          3쌍 :
삼중결합 ▶ NN, H-CC-H

 ③ 결합길이 ; 두 원자 핵사이의 거리(핵간 거리)
    ※ 결합수가 많으면 결합력이 강하므로 결합거리 짧다
       
단일결합 > 이중결합 > 삼중결합
  

 [2] 배위 결합
(1)
비 공유 전자쌍을 공유함으로 이뤄진 결합            

 (2) 배위 결합의 예
    NH
4+. H3O+. H3N : BH3, SO42-. CO32-. PO43-.
 (3) 착 이온 :
중심금속 + 배위자(Ligand)
  ① 중심 금속 : 주로 전이원소의 금속
  ② 배위자(ligand) : 비 공유 전자쌍 있는 분자나 이온
    (예) H
2O, NH3, CN-, Cl-, 등
  ③ 결합 형식 : 중심 금속과 배위자가 배위 결합
               Where ; 중심금속 : Cu+2, 배위자 : NH3, 배위수 : 4

  ④ 배위수 : 배위자의 수 = 2, 4, 6등 중심 금속에 대칭이 될 수 있는 수
   (예) [Ag(NH
3)2]+ = 배위수=2
          [Cu(NH
3)4]+2 , [Zn(H2O)4]+2 = 배위 수 4
          [Co(NH
3)4Cl2]+ = 배위 수 6

  ⑤ 착 이온의 입체구조 : 착 이온의 구조는 배위수에 의해 결정됨
    ㉮ 배위수 = 2 ▶
직선형
    ㉯ 배위수 = 4 ▶
평면사각형. 정사면체형
    
㉰ 배위수 = 6 ▶ 정팔면체
     
         

 [3] 공유결합에너지와 결합길이
 (1) 공유 결합 에너지
   ① 원자 상태에서 분자 상태로 되면서 방출하는 에너지를 말함.        

     ※ 에너지 값이 낮을수록 안정함. 분자상태가 원자 상태보다 안정됨.

 ② 공유 결합 물질에서 양쪽 원자를 떼는데 필요한 에너지         

 ③ 두 원자간에 작용하는 에너지가 최소 값이 되는 핵간 거리 ▶ 공유결합거리         

 (2) 공유결합 길이와 공유 반지름
 ① 공유결합 반지름 : 결합거리의 1/2
 ② 공유 반지름 < 원자 반지름
     

      (예) HCl의 결합 거리 = 수소공유반지름 + 염소공유반지름
                                     
= 0.037nm + 0.099nm = 0.136nm 실측거리 = 0.127nm (유사함)        
 (문) CCl4에서 C-Cl 공유결합 길이를 계산하여라
       (단, 각원자간의 결합거리 = C-C = 0.154 nm, Cl-Cl = 0.199이다)
       ∴ C-Cl = 0.154 + 0.199 / 2 = 0.177nm

 (3) 공유 결합에너지와 결합길이(공유결합 에너지 大 ▶
결합력 강, 안전함)
   ① 같은 원자간의 분자는
결합길이 짧을수록 ▶ 결합력 강
   ② 같은 원자간의 결합에서
결합수가 많을수록 ▶ 결합력 강
      (예) C―C < C〓C < C≡C
   ③ 극성분자는 비극성분자보다 결합력 강함

분자

결합

결합길이(nm)

결합에너지(kJ/mol)

분자

결합

결합길이(nm)

결합에너지(kJ/mol)

H2

H―H

0.074

436

N2

N≡N

0.110

941

F2

F―F

0.142

153

NH3

N―H

0.101

389

Cl2

Cl―Cl

0.199

243

CH4

C―H

0.109

414

Br2

Br―Br

0.299

193

C2H6

C―C

0.154

347

HCl

H―Cl

0.136

432

C2H4

C〓C

0.134

612

H2O

H―O

0.118

464

C2H2

C≡C

0.120

820

 (4) 해리 에너지 : 여러 개의 공유결합으로 된 다 원자 분자에서 원자간의 결합이 끊어져 성분 원        자로 되는데 필요한 에너지. ▒ 결합 에너지의 합.

 (예) CH4의 해리 에너지.       
 (예) C
2H5-OH의 해리 에너지   

 
[3] 공유결합물의 성질
 
(1) 이온 결합에 비해
결합력이 약함
   ① 녹는점, 끓는점이 낮다.
   ② 상온에서 기체상태로 존재하는 경우가 많다
   ③ 몰 증발열이 낮다.
 (2) 고체, 액체 상태에서
전기 전도성이 없다.
 (3) 물에
잘 녹지 않음(대부분 비극성 물질임).

 (가) 공유 결정과 분자 성 결정
 (1) 공유 결정(원자성 결정)
   ① 원자와 원자가 공유결합에 의해 그물구조를 형성
   ② 녹는점 끓는점 높고 경도가 크다
   ③ (예) 다이야몬드, 흑연, 수정(SiO
2) 카보런덤 (SiC)등  
 (나) 분자성 결정
  ① 기체나 액체상태의 공유 결합 분자, 비활성 기체들이 이룬 결정.
  ②
분자 사이의 인력 약함(m.p, b.p 낮다)- 승화성 있음.( I2, CO2(s), 나타렌등)
  ③ 전기전도성 없다.
     
       <드라이 아이스>             <얼음>             <요오드>   

1-3. 금속 결합

[1] 금속의 특성
 (1) 상태
 ① 수은(Hg)을 제외하고 모두 고체 결정
 ② 녹는점 : Hg=-39℃, W=3410℃로 다양, 알칼리금속을 제외하면 일반적으로 높다.
 ③ 굳기(경도) : 알칼리 금속을 제외하면 단단한 편임.
 ④ 비중 : 비중 4이상 중금속, 4이하이면 경금속.
  ※ 전이원소 중 스칸듐(Sr=2.99)을 제외 모두 중금속.
      알칼리금속 중 Li(0.53) Na(0.97) K(0.86)은 비중 1.0미만임.
 (2) 색
 ① 금(노란색) 구리(적동색) 망간(흑색) 비스므드(적색) 등을 제외한 대부분의 금속은 은백색의
     광택을 낸다
 ② 금속표면이 가시광선 중의 모든 진동수의 빛을 반사하기 때문.
 ③ 화폐나 장신구에 이용된다
      
 (3) 열전기의 전도성이 양호하다.
  ① 금속은 열과 전기를 잘 전도한다.(프라이팬, 다리미)
       * 여러 가지 금속의 상대적 전기 전도도

금 속 명

구 리

알루미늄

칼 슘

철 

상대적 전기 전도도

100

97

61

43

16

 ② 구리는 폴리에틸렌에 보다 전기전도성 1020배, 열전도성은 1500배이다
 ③ 금속이 높은 열전도도를 갖는 것은 금속결합 때문이다.

 (4) 전성 및 연성이 양호하다.
  ① 전성(두드려서 얇은 판으로 만듦)의 이용 ▶ 알루미늄 호일이나 금박
 ② 연성(뽑아서 가는 선으로 만듦)의 이용 - 전선줄이나 마그네슘 리본
 ③ 금 1g을 두드려서 얇게 만들면 면적 0.5m
2이 되고 길이 2800m의 가는 선.
 ④ 연성 전성이 좋은 금속 : Au> Ag> Cu> Al

 
[2] 금속결합 : 금속의 양이온과 자유전자간의 결합
  ①
금속결합 ; 금속의 양이온과 자유전자 사이의 정전기적인 인력에 의한 결합   
  
* 자유전자(Free electron) ; 금속의 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니면서 서로 반발하는
     양이온을 정전기적인 인력으로 결합시켜주는 전자.
 ②
금속의 모든 특성 ▶ 자유 전자에 의한 특성임
 ③ 금속에 전압을 걸어주면 자유 전자들이 쉽게 (+)극 쪽으로 이동할 수 있으므로 금속은 높은
     전기전도 도를 나타낸다.
       
◀금속 전기 전도도 모형
 ④ 금속 결정에 힘을 가하면 원자의 층이 미끄러지며, 이 때 전자들이 이동하여 층 들 사이의
    결합을 유지시키므로 층이 떨어지지 않음. ▶
금속의 연성 및 전성 큼.        



 

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