극성 공유결합을 하면 왜 핵간 거리가 짧아지나요

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III-1. 화학 결합의 종류  

1. 이온 결합

(1) 이온 결합의 형성

가. 이온의 형성

: 이온화 에너지가 작은 금속 원자와 전자 친화도가 큰 비금속 원자가 만나면 각각의 원자는 전자를 잃거나 받아 양이온과 음이온을 형성하면서 18족 전자 배치와 같게 되므로 안정한 전자 배치를 이룬다.

① 양이온이 되기 쉬운 원소 : 금속 원자들이 전자를 잃고 옥텟(octet)을 이루며 양이온 형성

㉠ 원자가전자 수가 적은 원소 ▷ 1, 2, 13 족 원소
㉡ 양성 원소(금속성이 강한 원소)
㉢ 이온화 에너지의 값이 작은 원소

② 음이온이 되기 쉬운 원소 : 비금속 원자들이 전자를 얻어 옥텟(octet)을 이루며 음이온 형성

㉠ 원자가전자 수가 6, 7인 원소 ▷ 16, 17 족 원소
㉡ 음성 원소(비금속성이 강한 원소)
㉢ 전자 친화도가 큰 원소

③ Na+ 과 Cl-의 형성 : 나트륨 원자와 염소 원자가 만나면 11Na에서 전자 1개가 17Cl로 이동하여 나트륨 이온(Na+= Ne의 전자배치)과 염화 이온(Cl-=Ar의 전자 배치)을 형성한다.
 

나. 이온 결합의 형성

① 이온 결합 : 양이온이 되기 쉬운 금속 원자와 음이온이 되기 쉬운 비금속 원자가 전자를 주고 받아 각각 양이온과 음이온이 될 때, 두 이온 사이에 작용하는 정전기적 인력(=쿨롱의 힘)에 의한 결합

② 쿨롱의 힘: 양이온과 음이온 사이에 작용하는 정전기적 힘．인력과 반발력이 있으며, 힘의 세기는 두 이온간의 거리의 제곱에 반비례하고 두 이온의 전하량의 곱에 비례한다.

③ 이온 결합과 평형 거리 : 두 이온들 사이의 정전기적 인력과 전자 껍질의 겹침에 의한 반발력이 균형을 이루어 이온 결합이 형성된 안정한 상태의 거리.
    (예) Na+Cl-의 평형 거리= 0.236 nm

④ 이온 결합 화합물

▷1족과 17족 : NaCl, KF, NaBr, LiCl, KI, NaI
▷2족과 17족 : CaCl2, MgF2, CaBr2, MgI2, BeCl2
▷1족과 16족 : Na2O, K2O, Na2S, K2S
▷2족과 16족 : CaS, MgS, CaO, MgO
▷기타 : Al2O3, FeCl3, Na2SO4, ZnCl2, Fe(OH)3

다. 이온 결합의 형성과 에너지

① Na+Cl-이 형성될 때의 에너지 관계

㉠ 1 단계 : 금속 나트륨과 염소 분자가 원자 상태로 되는 단계(에너지 흡수)
     (상태변화 에너지)
     (결합에너지)
㉡ 2 단계 : 이온화 단계
     (이온화 에너지)
     (전자 친화도)
㉢ 3 단계 : 결합 단계
     (이온 결합 에너지)

② NaCl의 격자 에너지 : 각 이온들이 서로 이온 결합을 하여 결정이 될 때 방출되는 에너지

                     E (격자에너지) = 774kJ/몰
   

③ 양이온과 음이온 사이의 거리와 에너지

(a) 멀리 떨어진 양이온과 음이온이 점점 가까워질수록 인력도 점점 증가한다.
(b) 평형 거리(re)에 오면 에너지가 극소점에 해당하는 -586kJ(-140 kcal)가 되어 가장 안정하게 된다.
(c) 두 이온이 너무 가까워지면 전자 껍질이 겹치게 되고, 강한 반발력으로 에너지가 높아져 불안정한 상태가 된다.
     ▶ (b) 위치에서 안정한 결합이 이루어지며, Na+(g), Cl-(g)이 586kJ(140 kcal)의 열을 방출하고 Na+Cl-(g)이 되고, 이때 결합 길이는 0.236 nm가 된다.

(2) 이온 결정의 구조        

가. NaCl 걸정 구조

① Na+은 6개의 Cl-으로 둘러 싸여 있으며, 각 Cl-은 6개의 Na+로 둘러 싸여 있다.
② Na+ : Cl- = 1:1 의 비로 되어 있는 면심 입방 구조.
③ 같은 구조의 결정 : LiF, NaBr, KBr, AgCl, CaO, MgO

나. CsCl 결정 구조

① 정육면체 중심에 Cs+ 가 높여 있고, 각 꼭지점에 8개의 Cl- 이 놓여 있다.
② Cs+ : Cl- = 1:1 의 비로 되어 있는 체심 입방 구조.

다. MgCl2 결정 구조

Mg2+ : Cl- = 1 : 2로 되어 있고 그 구조는 복잡하다.

(3) 이온 반지름         

가. 이온 반지름

① 같은 족 : 원자 번호가 커질수록 전자 껍질수가 증가하기 때문에 이온 반지름이 증가한다.
② 같은 주기 : 전하의 종류가 같으면, 원자 번호가 커질수록 이온 반지름은 감소한다.
   ∵ 원자 번호가 커질수록 전자 껍질의 수의 증가 없이 원자핵의 양전하가 커지기 때문에
      예) Na+ 반지름 > Mg2+ 반지름, O2- 반지름 > F- 반지름
③ 등전자 이온의 반지름: 전자수가 같은 이온의 반지름은 원자 번호가 클수록 이온 반지름이 감소한다.
   ∵ 원자핵의 양성자수가 증가하므로

나. 이온 반지름과 원자 반지름

① 금속 원소: 금속 원소는 전자를 잃고 양이온이 될 때 원자핵의 전하는 같으나 전자수가 감소하면서 전자 껍질수가 감소하기 때문에 이온 반지름이 작아진다.
                         11Na(K2L8M) ---> Na+(K2L8)
   금속 원소  :       원자 반지름   >    이온 반지름
② 비금속 원소 : 비금속 원소는 전자를 얻어 음이온이 될 때 원자핵의 전하는 같으나 전자수가 증가하여 전자끼리의 반발력 증가로 이온 반지름이 커진다.
                         17Cl(K2L8M7) ---> Cl-(K2L8M8)
   비금속 원소 :     원자 반지름  <    이온 반지름

(4) 이온 결합성 물질의 성질         

가. 녹는점과 끓는점

① 이온의 전하가 클수록 결합력이 증가하여 녹는점과 끓는점이 높아진다
       (예) MgO > Na2O
② 이온간의 거리가 짧을수록 결합력이 증가하여 녹는점과 끓는점이 높아진다.
       (예) NaF>NaCl>NaBr, LiCl>NaCl>KCl

나. 전기 전도성

① 고체(결정) 상태 : 전기 부도체  ∵결정 중의 이온이 다른 이온들로 둘러 싸여 있어 이동하기 어렵기 때문
② 용융 상태나 수용액 : 전기 양도체 ∵이온들이 자유롭게 이동할 수 있기 때문

다. 물에 대한 용해성

대부분의 이온 결정은 극성 용매(물)에 잘 녹으며, 물에 녹을 때는 수화된 이온을 잘 만든다.

라. 이온 결정의 부스러짐

① 이온 결정은 양이온과 음이온 사이의 쿨롱 인력이 강하여 단단하다.
② 이온 결정에 큰 힘을 주면 부스러진다. 이온층이 밀려 같은 전하를 띤 이온들이 서로 반발하기 때문에

 2. 공유 결합

(1) 공유 결합의 형성        

가. 공유 결합

① 정의 : 원자가전자가 비슷한 원자들 사이에서는 전자를 주거나 얻어서 이온이 되기 어려우므로 각각 전자를 내 놓아서 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 공유하여 안정한 전자 배치를 이루는 결합.
② 공유 결합의 형성의 예
    ㉠ 비금속의 홑원소 물질 : H2, O2, N2, F2 등
    ㉡ 서로 다른 비금속 원소 사이 : 염화수소(HCl), H2O 등
    ㉢ 탄소 화합물 : 메탄(CH4), 아세칠렌(C2H2) 등

나. 공유 결합 에너지

① 두 원자가 공유 결합을 형성하여 안정해지면서 방출하는 에너지
② 공유 결합 1몰을 끊어서 원자 상태로 만드는 데 필요한 에너지
     (예) H(g)＋H(g) → H2(g)＋435kJ/몰 (공유 결합 에너지)
            H2(g)＋435kJ/몰 → H(g)＋H(g) (공유 결합 에너지)

(2) 공유 결합의 표시        

가. 전자점식(루이스 전자식)

① 원소 기호에 원자가전자를 점으로 표시하여 나타낸 식. 1개식 있는 전자를 홀전자, 2개가 쌍을 이룬 경우를 전자쌍이라고 한다.
   

나. 구조식 : 전자식에서 공유 전자쌍을 결합선 '―'로 나타낸 식으로 결합선의 수는 공유 전자쌍을 나타낸다.
  

다. 옥텟 규칙

① 원자들이 이온이 되거나, 화학 결합을 형성할 때 최외각에 8개의 전자를 가지려는 경향(예외 Be, B)
  

   ㉡ 옥텟을 벗어난 경우

(3) 공유 결합의 수          

가. 다중 결합 : 원자와 원자 사이에 공유 결합 수가 2개 이상인 결합

① 단일 결합 : 두 원자가 1개의 전자쌍을 공유한 결합.
   

나. 다중 결합이 나타내는 특성

① 결합력 : 다중 결합일수록 결합력(=결합에너지)이 커진다.
    단일 결합 < 이중 결합 < 삼중 결합
② 결합 길이 : 다중 결합일수록 결합 길이가 짧아진다. 결합을 이루는 두 원자핵들 사이의 거리가 짧을수록 강한 결합이다.

(4) 배위 결합         

가. 배위 결합

① 정의 : 비공유 전자쌍을 가진 원자가 다른 이온이나 원자들에게 이를 제공하여 공유 결합이 형성되는 결합 ☞ 모든 배위 결합 물질에는 항상 공유결합이 들어있다.
② 양이온과 비공유 전자쌍을 가진 분자나 원자단 사이의 결합 : 물 분자, 또는 암모니아 분자가 가진 비공유 전자쌍을 수소 이온(H+)에게 일방적으로 제공하여 전자를 공유함.

③ 옥텟을 이루지 못한 분자와 비공유 전자쌍을 가진 물질 사이의 결합
   (예) 삼플루오르화붕소암모늄(H3NBF3)의 형성 : 암모니아 분자의 질소 원자가 가진 비공유 전자쌍을삼플루오르화붕소의 붕소 원자에게 일방적으로 제공하여 공유한다.

(5) 공유 결합 반지름        

가. 단일 결합 반지름

: 같은 종류의 원자가 공유 결합을 이루고 있을 때, 두 원자핵들 사이의 거리(결합 길이)의 반을 말한다.

① 단일 결합으로 이루어진 2원자 분자 : 결합 길이의 반 (H2, F2, Cl2   등)
   (예) H2 :  H - H 의 결합 길이=0.074nm ☞ H의 공유 결합 반지름 = 0.074 nm × 1/2 = 0.037 nm
② 단일 결합으로 이루어진 2원자 분자를 형성하지 않는 원자들의 단일 결합 반지름은 단일 결합을 갖는 화합물의 결합 길이로부터 구한다.
   ㉠ 다이아몬드의 결합 길이 : 0.154nm
       ∴ 탄소의 단일 결합 반지름 = 0.154 × 1/2 = 0.077nm
   ㉡ 질소의 단일 결합 반지름 : 히드라진(H2N-NH2)로부터구한다. (0.075nm)
   ㉢ 산소의 단일 결합 반지름 : 과산화수소(HO-OH)로부터 구한다.(0.073nm)
    

나. 다중 결합 반지름

① O2(O=O), N2(N≡) 처럼 이중 결합, 삼중 결합을 갖는 2원자 분자의 결합 길이의 반이 이중 결합, 삼중 결합의 반지름이 된다.
② 탄소 원자 사이의 이중 결합 반지름은 H2C=CH2(에텐), 삼중 결합 반지름은 HC≡CH(에틴)의 결합 길로로부터 구한다.
  (예) H2C=CH2(에텐)의 결합 길이 : 0.134 nm
       ==> ∴ 탄소의 이중 결합 반지름 : 0.134×1/2=0.067 nm
③ 일반적인 같은 원자 사이의 공유 결합에서 결합 길이 : 단일 결합 > 이중 결합 > 삼중 결합

(6) 공유 결합 물질의 성질

가. 공유 결합 물질의 특성

① 공유 결합은 비금속 원소의 홑원소 물질, 서로 다른 비금속 원소 사이, 탄소 화합물에서 형성된다.
② 공유 결합 물질은 원자 사이의 결합력은 강하나, 분자 사이의 결합력이 약하므로 녹는점, 끓는점이 낮다.
③ 분자로 존재할 수 있으므로 고체, 액체 모두 전기 전도성이 없다.
④ 화학 반응에서 원자간 공유 결합이 끓어져야 하므로 반응속도가 느리다.

나. 분자 결정

: 분자들 사이에 아주 약한 분자간의 인력(=반 데르 발스 힘)이 작용한 분자가 결정의 단위인 결정(공유결합).

① 결정 단위는 분자.
② 분자간의 인력이 약하므로 결정이 쉽게 부서지고, 대부분 녹는점이나 끓는점이 낮고, 전기 전도성이 없다.
③ 상온에서 승화하는 성질을 가지는 것이 많다.
④ 분자결정의 예: 요오드(I2), 나프탈렌(C10H8), 황(S8), 네온(Ne), 산소(O2), 드라이 아이스(고체CO2), 염소(Cl2), 대부분의 탄소 화합물 등

다. 공유 결정

: 물질내의 많은 원자들이 공유 결합으로 연결되어 그물구조를 형성한 결정.

① 결정을 이루는 모든 원자들이 공유 결합으로 그물처럼 연결되어 있으므로, 전체를 하나의 거대한 분자처럼 볼 수 있다.
② 매우 단단하고 휘발성이 없으며, 끓는점 또는 녹는점이 매우 (높다). (∵ 그물 구조를 하고 있기 때문에).
③ 대부분 전기 부도체이나 흑연은 예외이다.
④ 원자 결정의 예: 다이아몬드(C), 흑연(C), 이산화규소(SiO2) 등

3. 금속 결합

(1) 금속 결합의 형성        

가. 금속 결합

: 금속 원자가 원자가전자를 내놓고 양이온으로 되어 안정하게 되고, 원자로부터 떨어져 나온 원자가전자가 (자유 전자)가 되어 양이온 사이에 고르게 공유되어 있는 상태.

나. 자유전자

① 자유전자 수: 금속 원자의 원자가전자수와 같다.
    예) Na : 1개, Mg : 2개, Al : 3개
② 자유전자 수가 많을수록 금속결합력은 강해진다.
    예)녹는점의 크기 : Na ③ 금속의 특성을 나타내는 열.전기의 양도체, 전성(뽑힘성), 연성(퍼짐성), 특유의 빛깔(금속 광택) 등은자유 전자와 관계있다.
④ 금속 결합의 본질: 금속 원자가 원자가전자를 내놓고 양이온이 되면 금속의 양이온은 고정된 위치에서 양이온 상태로 있고, 내놓는 자가전자는 금속의 양이온 사이를 자유롭게 이동하면서 전자 바다를 이루고 있는 결합
 

다. 금속 결합의 결합력

㉠ 방향성이 없고, 이온결합이나 공유결합보다 결합력이 약함.
㉡ 금속의 결합력은 자유전자 수가 많을수록, 금속 원자 반지름이 작을수록 (강해진다).
    (예1) 녹는점의 크기: Li>Na>K  (∵자유전자 수는 같으나 반지름이 작기 때문)
    (예2) 녹는점의 크기: Na

(2) 금속의 특성        

가. 상태

: 상온에서 대부분 고체(단, Hg만 액체)이며, 금속 광택(대부분 은백색 광택)을 냄

① 결정 구조 : 체심 입방, 육방 밀집, 면심 입방의 구조
② 대부분 녹는점이 높고, 비중이 크다.

나. 전기.열 양도체

① 전기 양도체 : 고체, 액체 등 어떤 상태에서도 자유 전자가 자유로이 전하를 운반
② 열 전도성 : 운동에너지가 큰 자유 전자가 작은 전자에게 열 전도
  

다. 뽐힘성과 퍼짐성

: 금속에 힘을 주면 자유 전자들도 같이 움직이기 때문에 떨어져 나가지 않고 미끄러져, 길게 뽑거나 넓게 펼 수 있다.
  

라. 합  금

: 두 가지 이상의 금속이 섞여 있는 물질.

① 금속의 강도를 높일 수 있다.
    예) 순수한 금(단점: 너무 무르다)과 구리의 합금을 이용한 장신구, 철에 1%정도의 탄소와 니켈, 또는 망간 등을 소량씩 섞어 만든 강철 등
② 녹는점을 낮출 수 있다. 예) 납과 주석을 섞어 녹는점을 낮춘 땜납
③ 산화를 느리게 할 수 있다.
    예) 철에 소량의 탄소와 크롬, 니켈 등을 섞어서 금속의 부식을 방지하는 스테인레스스틸 등.