이온 결합과 이온 결합 물질의 성질

핵심 정리

이온 결합은 서로 반대 전하를 띤 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력으로 형성되는 결합이다. 금속 원소와 비금속 원소는 대체로 이온 결합하여 물질을 형성하고, 비금속 원소끼리는 공유 결합한다. 이온 결합 물질에서는 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합하며, 전체 전하의 합이 0이 되도록 규칙적으로 배열된다. 이온 결합 물질의 화학식은 양이온과 음이온의 전하 합이 0이 되도록 정한다.

고체 이온 결합 물질은 개별 분자로 이루어진 것이 아니라 양이온과 음이온이 반복 배열된 결정이다. 염화 나트륨은 Na⁺와 Cl⁻가 1:1 비율로 이루어진 이온 결합 물질이다. NaCl은 이온 결합 화합물로 분자가 아니다. 이온 결합 물질의 화학식은 결정 속 이온 하나씩을 짝지은 분자식이 아니라 전하가 중화되는 이온의 가장 간단한 비를 나타낸다.

전형적인 이온 결합에서는 금속 원자가 전자를 잃어 양이온이 되고 비금속 원자가 전자를 얻어 음이온이 된다. 이온 결합 물질에서 양이온과 음이온은 각각 가까운 비활성 기체 원자의 전자 배치를 가진다. 이온의 전자 수를 구할 때 양이온은 원자 번호에서 전하량만큼 빼고, 음이온은 전하량의 크기만큼 더한다. 고체에서는 이온이 자리를 유지하지만, 용융 상태나 물에 녹은 상태에서는 이온이 이동할 수 있어 전류가 흐른다. 이온 결합 물질은 액체 상태에서 이온이 자유롭게 움직여 전기 전도성이 있다.

자세히

이온 결합을 판단하는 첫 단계는 결합하는 원소의 종류와 만들어지는 입자를 살피는 것이다. 금속 원소는 전자를 잃어 양이온이 되기 쉽고, 비금속 원소는 전자를 얻어 음이온이 되기 쉽다. 서로 반대 전하를 띤 이온 사이에는 정전기적 인력이 작용하며, 이것이 이온 결합의 핵심이다. 따라서 이온 결합을 단순히 ‘전자가 이동했다’는 과정만으로 판단하기보다, 최종적으로 양이온과 음이온이 인력으로 결합한 물질인지 확인해야 한다. 금속과 비금속으로 이루어진 물질은 이온 결합 물질로 다룬다. 반면 비금속 원소끼리 결합하는 경우에는 공유 결합으로 구분한다.

이온의 전자 배치는 원자의 전자 수에서 출발하여 전자를 잃거나 얻은 만큼 조정한다. 원자 번호는 중성 원자의 전자 수와 같으므로, 양전하를 띤 이온은 그 전하량만큼 전자를 잃은 상태이고 음전하를 띤 이온은 전하량의 크기만큼 전자를 얻은 상태다. 예를 들어 Na⁺는 나트륨 원자보다 전자가 하나 적고, Cl⁻는 염소 원자보다 전자가 하나 많다. 이처럼 이온의 전자 수를 구한 뒤 주어진 전자 배치와 비교하면 이온의 전하를 확인할 수 있다. 전하를 알아낸 다음에는 이온의 개수비를 정하고, 그 비가 전기적으로 중성인지 확인한다. 전자 배치와 화학식은 서로 다른 정보를 묻는 과정이므로, 전자 수를 계산한 뒤에도 화학식의 전하 합을 별도로 검산해야 한다.

화학식은 이온의 전하가 서로 상쇄되도록 정한다. 양이온의 전하 총량과 음이온 전하의 크기 총량이 같아야 화합물 전체가 중성이다. Na⁺와 Cl⁻는 전하 크기가 같으므로 1:1로 결합하여 NaCl을 이룬다. 나트륨 이온과 플루오린 이온도 각각 +1, -1 전하를 띠므로 1:1 비율로 화합물을 이룬다. 반면 양전하와 음전하의 크기가 같지 않으면 이온의 수를 조절하여 전체 전하가 0이 되도록 한다. 예를 들어 +2 이온 하나와 -1 이온 둘이 만나면 전체 전하는 +2-1-1=0이다. 이때 화학식에서 양이온과 음이온의 개수비는 1:2가 된다. 화학식에서 아래첨자는 각 이온의 전하 크기를 그대로 적은 값이 아니라 전하를 중화시키는 가장 간단한 정수비다. 전하가 주어졌다면 먼저 양전하의 합과 음전하의 합을 맞추고, 그 뒤 화학식을 쓴다.

고체 이온 결합 물질은 양이온과 음이온이 규칙적으로 배열된 결정이다. 따라서 NaCl을 ‘NaCl 분자’라고 생각하여 한 나트륨 이온과 한 염화 이온만으로 고립된 입자를 이루었다고 해석하면 안 된다. NaCl이라는 화학식은 결정 전체에서 Na⁺와 Cl⁻가 이루는 가장 간단한 개수비를 나타낸다. 이 구분은 입자 모형을 해석할 때 특히 중요하다. 그림에 이온 여러 개가 반복되어 나타나면 그 배열과 전하 중화를 확인해야 하며, 한 쌍씩 독립된 분자로 묶어 해석하지 않는다. 이온 결합 물질은 공유 결합 물질과도 구별된다. 두 물질의 구성 입자와 결합 방식이 다르므로, 원소 기호가 함께 적혀 있다는 사실만으로 공유 결합이라고 판단할 수 없다.