전기음성도 — 폴링 척도, 주기적 경향과 극성 결합

전기음성도는 결합에서 공유된 전자를 원자가 얼마나 강하게 끌어당기는지를 나타내는 상대적인 척도입니다. 폴링 척도에서 값이 클수록 결합 전자를 더 강하게 끌어당긴다는 뜻입니다.

이 개념을 알면 결합의 극성을 빠르게 예측할 수 있습니다. 결합한 두 원자가 공유 전자를 거의 비슷한 정도로 끌어당기면 그 결합은 무극성 공유 결합에 가깝습니다. 한 원자가 훨씬 더 강하게 끌어당기면 그 결합은 극성입니다. 차이가 매우 크면 이온 결합성이 상당히 나타날 수 있습니다.

폴링 척도가 실제로 알려 주는 것

폴링 척도는 상대적인 척도입니다. 전자 수를 세는 것이 아니며, 원자에 걸린 전하와도 같은 개념이 아닙니다. 이 척도의 핵심 역할은 결합한 원자들을 서로 비교하는 데 있습니다.

예를 들어 플루오린은 전기음성도 값이 가장 큰 원소 중 하나이므로 결합 전자를 강하게 끌어당기는 경향이 있습니다. 반면 주기율표 왼쪽에 있는 많은 금속들은 값이 더 낮아서 공유 전자를 덜 강하게 끌어당깁니다.

실제로는 생각이 간단합니다. 원자 $A$와 $B$ 사이의 결합이라면 두 원자의 전기음성도를 비교하면 됩니다. 그 차이가 클수록 전자가 더 불균등하게 공유될 가능성이 큽니다.

주기율표에서의 주기적 경향

전기음성도는 일반적으로 같은 주기에서 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 증가하고, 같은 족에서 아래로 내려갈수록 감소합니다.

보통은 다음과 같이 이해합니다.

• 같은 주기에서는 오른쪽으로 갈수록 원자가 결합 전자를 더 강하게 끌어당기는 경향이 있습니다
• 같은 족에서는 아래로 갈수록 원자 크기가 커져 결합 전자쌍을 보통 덜 강하게 끌어당깁니다

이것은 넓게 성립하는 경향이지, 모든 상황의 모든 원소에 정확히 들어맞는 규칙은 아닙니다. 기초 화학에서는 표준 조건에서 일반적인 결합을 잘 만들지 않는 비활성 기체가 단순한 전기음성도 표에서 자주 제외됩니다.

예제: H-Cl 결합이 왜 극성인지

수소의 폴링 전기음성도는 약 $2.20$이고, 염소는 약 $3.16$입니다. 차이는 다음과 같습니다.

$$\Delta EN = 3.16 - 2.20 = 0.96$$

이 차이는 전자가 분명히 불균등하게 공유된다는 것을 보여 주므로, H-Cl 결합은 극성 공유 결합입니다.

공유 전자쌍은 염소 쪽으로 더 가까이 끌려가므로 염소는 부분 음전하를 띠며 $\delta-$로 쓰고, 수소는 부분 양전하를 띠며 $\delta+$로 씁니다.

이 예시는 전기음성도의 가장 중요한 쓰임을 보여 줍니다. 이것이 염소가 전자를 완전히 가져간다는 뜻은 아닙니다. 하지만 결합의 어느 쪽에 전자 밀도가 더 큰지는 분명히 알려 줍니다.

전기음성도가 잘 예측하는 것

전기음성도는 결합의 극성을 예측하고, 분자에서 부분 전하가 어디에 나타나는지 가늠하는 데 유용합니다. 또한 분자 사이 힘, 산-염기 경향, 전반적인 반응성 경향을 설명할 때도 도움이 됩니다.

하지만 이것만으로 모든 화학을 설명할 수는 없습니다. 분자 구조, 공명, 형식 전하, 반응 조건은 모두 중요할 수 있습니다. 전기음성도 차이가 눈에 띄는 결합이 있어도, 결합 쌍극자가 대칭적으로 상쇄되면 분자 전체는 여전히 무극성일 수 있습니다.

전기음성도에서 자주 하는 실수

전기음성도 차이를 정확한 경계값처럼 보는 것

교과서에서는 무극성, 극성 공유 결합, 이온 결합에 대해 대략적인 범위를 제시하는 경우가 많습니다. 이런 범위는 유용한 빠른 기준일 뿐, 보편적인 법칙은 아닙니다. 경계에 걸친 경우에는 맥락을 함께 봐야 합니다.

다른 성질과 혼동하는 것

전기음성도, 이온화 에너지, 전자 친화도는 모두 전자와 관련이 있지만 같은 성질은 아닙니다. 전기음성도는 특히 결합에서 공유된 전자를 끌어당기는 정도를 말합니다.

한 원자의 값만 보고 두 원자의 비교를 하지 않는 것

전기음성도 값 하나만으로는 충분하지 않습니다. 결합의 극성은 결합한 두 원자를 비교해서 결정됩니다.

전기음성도가 가장 유용한 때

화학자들은 다음과 같은 경우에 전기음성도를 사용합니다.

1. 결합이 무극성일지 극성일지 예측할 때
2. 결합에서 어느 원자가 $\delta-$가 될 가능성이 큰지 찾을 때
3. 결합이 더 공유 결합적인지, 더 이온 결합적인지 가늠할 때
4. 주기적 경향을 실제 결합 거동과 연결할 때

비슷한 결합 비교를 직접 해 보기

이번에는 $C-H$, $O-H$, $Na-Cl$로 직접 비교해 보세요. 전기음성도 차이 순서대로 결합을 나열한 뒤, 어떤 것이 무극성에 가장 가깝고 어떤 것이 분명한 극성 공유 결합이며 어떤 것이 가장 강한 이온 결합성을 가지는지 판단해 보세요. 이런 한 번의 비교만으로도 개념이 훨씬 잘 잡히는 경우가 많습니다.