공유 결합

공유 결합은 원자들이 하나 이상의 전자쌍을 서로 공유하는 화학 결합입니다. 기초 화학에서는 보통 비금속 원자 사이에서 나타나며, $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{CO}_2$ 같은 흔한 분자를 설명하는 데 중요합니다.

한 가지만 기억하면 됩니다. 공유 결합의 핵심은 전자 공유이지, 전자가 한 원자에서 다른 원자로 완전히 이동하는 것이 아닙니다.

공유 결합은 왜 형성될까

원자들은 결합한 상태가 서로 떨어져 있는 상태보다 에너지가 더 낮을 때 결합하는 경우가 많습니다. 기초 화학의 많은 경우에서 전자를 공유하면 각 원자가 바깥 전자껍질을 더 잘 채울 수 있습니다.

많은 주족 원소에서는 이를 옥텟 규칙으로 설명합니다. 이 규칙은 유용하지만 절대적인 법칙은 아니라 하나의 경향입니다. 수소는 대표적인 예외로, 보통 $8$개가 아니라 $2$개의 전자를 가질 때 안정합니다.

전자 공유란 무엇인가

공유 결합에서는 전자들이 두 원자핵 모두의 인력을 받습니다. 이 공동의 인력이 원자들을 서로 붙잡아 둡니다.

전자가 항상 똑같이 공유되는 것은 아닙니다. 한 원자가 공유 전자를 더 강하게 끌어당기면, 그 결합은 여전히 공유 결합이지만 무극성 공유 결합이 아니라 극성 공유 결합입니다.

예제로 보기: $\text{H}_2$는 어떻게 형성될까

두 개의 수소 원자는 $\text{H}_2$를 만들 수 있습니다. 각 수소 원자는 처음에 전자 1개를 가지고 있고, 첫 번째 전자껍질에 전자 $2$개가 있을 때 가장 안정합니다.

두 원자가 전자 한 쌍을 공유하면, 각 수소는 그 공유 전자쌍을 자신의 바깥 전자껍질에 포함된 것으로 볼 수 있습니다. 그래서 각 원자는 필요한 안정한 2전자 배열을 갖게 됩니다.

이 과정은 보통 다음과 같이 나타냅니다.

$$\text{H} \cdot + \cdot \text{H} \rightarrow \text{H}:\text{H}$$

마지막 구조의 두 점은 하나의 공유 전자쌍을 뜻하며, 이는 하나의 단일 공유 결합입니다.

이것은 가장 단순한 공유 결합 예시입니다. 수소는 옥텟을 채울 필요가 없기 때문입니다. 수소는 2전자 배열만 필요하므로, 전자쌍 하나를 공유하는 것만으로 충분합니다.

단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합

단일 결합은 전자쌍 1개를 공유하는 결합입니다. 이중 결합은 전자쌍 2개를 공유합니다. 삼중 결합은 전자쌍 3개를 공유합니다.

비슷한 분자에서 같은 두 원자를 비교할 때, 공유 전자쌍이 많을수록 보통 결합은 더 짧고 더 강합니다. 다만 결합 세기는 어떤 원자들이 결합하는지에도 영향을 받으므로, 이런 비교는 주의해서 해야 합니다.

공유 결합에서 자주 하는 실수

전자 공유를 동일한 공유로 착각하기

모든 공유 결합이 전자를 똑같이 공유하는 것은 아닙니다. 동일한 공유는 무극성에 더 가깝습니다. 불균등한 공유는 부분 전하와 결합의 극성을 만듭니다.

옥텟 규칙을 항상 성립한다고 생각하기

옥텟 규칙은 많은 분자를 설명하는 좋은 입문용 모델이지만, 모든 경우에 맞는 것은 아닙니다. 수소는 2전자 규칙을 따르며, 어떤 원자들은 단순한 옥텟 그림에 맞지 않아도 안정한 분자를 만들 수 있습니다.

공유 결합과 이온 결합을 혼동하기

이온 결합에서는 전자가 충분히 이동하여 서로 반대 전하를 띠는 이온이 형성됩니다. 공유 결합에서는 원자 사이에 전자 밀도가 공유된다는 점이 핵심입니다.

공유 결합은 어디에 쓰일까

공유 결합은 물, 산소, 이산화탄소, 당, 단백질, 플라스틱, DNA를 포함한 많은 친숙한 물질의 기본 연결 방식입니다. 특히 탄소는 많은 원소와 공유 결합을 만들고 안정한 사슬과 고리를 형성할 수 있기 때문에 유기화학에서 매우 중요합니다.

분자의 모양, 극성, 반응성을 예측하고 싶다면, 공유 결합을 이해하는 것이 보통 첫걸음입니다.

비슷한 예제를 직접 해보기

$\text{Cl}_2$ 또는 $\text{O}_2$를 가지고 직접 해 보세요. 먼저 한 가지를 물어보면 됩니다. 각 원자는 더 안정한 바깥 전자껍질을 가지려면 전자가 몇 개 더 필요할까요? 그다음 몇 쌍의 전자를 공유해야 하는지 세어 보세요. 더 나아가고 싶다면 다음으로 루이스 구조를 공부해 보세요. 공유 결합을 훨씬 더 쉽게 시각화할 수 있습니다.