화학 결합의 원리와 옥텟 규칙

핵심 정리

화학 결합은 원자나 이온이 결합해 분자, 결정 등 물질의 구조를 이루는 과정이다. 원자들은 결합하면서 전자를 주고받거나 공유해 전자 배치를 바꾸며, 그 결과 더 안정한 상태를 이루기도 한다. 옥텟 규칙은 원자의 최외각 전자가 8개일 때 안정한 전자 배치를 갖는다는 경험적 기준이다. 이 규칙에 따라 원자가 전자를 채우며 결합하면 안정한 화합물이 형성될 수 있다.

결합의 종류를 구별할 때는 전자를 주고받는지, 공유하는지를 살핀다. 금속 원소와 비금속 원소가 함께 있다고 해서 이온 결합이라고 단정할 수는 없다. 비금속 원자가 전자를 얻으면 음이온이 된다. 이온 화합물은 양이온과 음이온의 전하를 모두 더했을 때 0이 되도록 이루어진다. 따라서 이온의 개수를 먼저 같게 정하지 말고, 각 이온의 전하와 전체 전하의 합을 확인해야 한다. 공유 결합에서는 원자들이 전자쌍을 함께 사용한다.

루이스 구조식은 원자가 전자와 공유 전자쌍을 나타내 결합을 살피는 도구다. 각 원자의 원자가 전자 수와 원자들의 연결 관계를 확인한 뒤, 구조식의 선 하나를 공유 전자쌍 하나로 해석한다. 옥텟을 만족하도록 원자가 전자를 배치하면 결합 비율을 판단할 수 있다. 수소가 포함된 분자에서는 수소의 듀엣과 다른 원자의 옥텟을 구별해 공유 전자쌍을 판단한다. 결합 수를 셀 때는 구조에서 각 원자 사이의 공유 전자쌍을 확인하고 단일 결합과 다중 결합을 구별한다.

옥텟 규칙은 모든 원소에 예외 없이 적용되지 않는다. 2주기 원소는 확장된 옥텟을 갖지 않지만, 모든 2주기 원소가 옥텟을 만족하는 것은 아니다. 3주기 이상 원소는 옥텟보다 많은 전자를 갖는 확장된 옥텟을 형성할 수 있다. 수소에는 최외각 전자 2개를 채우는 듀엣 규칙을 적용한다. 원소의 주기와 원자가 전자 수를 먼저 확인해야 구조를 올바르게 판단할 수 있다.

자세히

원자는 양전하를 띤 원자핵과 음전하를 띤 전자로 이루어진다. 화학 결합에는 원자의 바깥쪽 전자인 원자가 전자가 참여한다. 원자들은 결합하면서 전자를 주고받거나 함께 사용하고, 그에 따라 전자 배치가 달라진다. 옥텟 규칙은 많은 원자의 결합 구조를 설명하는 경험적 기준이다. 옥텟을 만족하는 원자는 최외각 전자가 8개인 안정한 전자 배치를 갖는다. 다만 모든 원자와 분자가 이 규칙을 예외 없이 따르는 것은 아니다.

루이스 구조식은 일정한 순서로 살피면 실수를 줄일 수 있다. 먼저 각 원소의 원자가 전자 수를 확인하고, 중심 원자와 주변 원자의 연결 관계를 살핀다. 구조식의 선 하나는 공유 전자쌍 하나를 뜻한다. 그다음 결합에 쓰이지 않고 원자에 남은 전자쌍까지 포함해 각 원자의 옥텟 여부를 확인한다. 조건이 맞지 않으면 원자가 전자 수와 원자 사이의 공유 전자쌍 수를 다시 점검한다.

수소는 최외각 전자 2개를 채우는 듀엣 규칙을 따르므로 다른 원자처럼 옥텟을 요구하지 않는다. 나머지 원자는 원자가 전자 수와 필요한 전자 수를 비교해 공유 전자쌍 수를 판단한다. 공유 전자쌍은 결합한 두 원자의 최외각 전자 수에 모두 포함된다. 따라서 분자 전체의 전자 수와 각 원자 주위의 전자 수를 각각 확인해야 한다. 전체 전자 수가 맞더라도 한 원자의 옥텟이 맞지 않을 수 있다.

공유 결합과 이온 결합은 전자를 다루는 방식으로 구분한다. 공유 결합에서는 원자들이 전자쌍을 함께 사용한다. 이온 결합에서는 전자가 이동해 양이온과 음이온이 생기며, 이온 사이의 인력이 물질을 이룬다. 두 비금속 원소로 이루어진 화합물은 전자를 공유해 형성될 수 있다. 전자를 잃은 쪽은 양이온, 얻은 쪽은 음이온이다. 원소 기호가 함께 있다는 사실만으로 이온 결합이라고 단정하지 말고, 원소의 성질과 전자의 이동을 살펴야 한다.

이온 화합물의 식이나 모형을 분석할 때는 전체 전하가 0인지 확인한다. 양이온과 음이온의 개수를 미리 같게 두지 말고, 각 이온의 전하를 반영해 개수를 정한다. 이 기준은 화합물의 조성을 정하거나 주어진 모형이 가능한지 판단할 때 모두 적용된다. 전하 합이 0인지 계산한 뒤 이온의 개수 비를 확정한다.

전자 수를 구할 때는 중성 원자와 이온의 전자 수를 구별해야 한다. 이온은 전자를 잃거나 얻은 만큼 중성 원자와 전자 수가 다르다. 구성 이온의 종류와 개수를 확인한 다음 각 이온의 전자 수에 개수를 곱해 더하면 화합물 1단위의 전체 전자 수를 구할 수 있다. 이온 결합 물질 1 mol에 들어 있는 전체 전자의 양도 구성 이온의 전자 수와 개수를 곱해 계산한다. 이 계산은 전하 중성 여부와 별개다. 같은 주기 원소라고 해서 이온의 전자 배치까지 같다고 단정할 수는 없다.