공유 결합

N₂의 삼중 결합은 110 pm, 에테인의 단일 결합은 154 pm입니다. 함께 쓰는 전자쌍이 많을수록 원자가 가까워집니다.

비금속 원자 두 개가 만나면 어느 쪽도 전자를 완전히 내주려 하지 않습니다. 둘 다 세게 당기므로 넘겨주는 대신 함께 씁니다. 원자마다 전자 하나씩을 내어 두 원자핵 사이에 전자쌍을 만들고, 두 원자핵이 모두 그 전자쌍에 끌립니다. 이 공유 전자쌍이 공유 결합입니다. 물에서 DNA까지 생물 속 물질 거의 전부가 이렇게 묶여 있습니다.

공유 전자쌍 세기

메테인 CH₄를 봅시다. 탄소는 바깥 전자가 4개라 4개가 더 필요하고, 수소는 1개라 1개가 더 필요합니다. 탄소가 수소 4개와 전자쌍을 하나씩 함께 쓰면, 탄소 둘레에는 전자 8개, 수소마다 2개가 됩니다. 모두 껍질이 꽉 차고 분자에는 단일 결합 4개가 생깁니다. 원자가 보통 만드는 결합 수를 원자가라고 합니다. 수소 1, 산소 2, 질소 3, 탄소 4. 이 네 숫자만 알면 작은 분자 대부분을 손으로 그릴 수 있습니다.

작은 분자는 전자를 세어서 구조를 확인할 수 있습니다. 모든 원자의 바깥 전자를 더합니다. 물은 1 + 1 + 6 = 8개입니다. 결합 하나에 2개씩 쓰고, 남은 전자는 비공유 전자쌍이 됩니다. 물에는 O-H 결합 2개가 있어 전자 4개를 쓰고, 남은 4개는 산소의 비공유 전자쌍 2개가 됩니다. 그러면 산소 둘레에는 8개, 수소마다 2개가 됩니다. 암모니아도 같습니다. 5 + 3 = 8개로 N-H 결합 3개와 비공유 전자쌍 1개입니다. 이 비공유 전자쌍이 다음 단원에서 분자의 모양을 정합니다.

이중 결합과 삼중 결합

전자쌍 하나로 모자랄 때가 있습니다. 산소 분자 O₂에서는 원자마다 바깥 전자가 6개라 2개가 더 필요하므로 두 원자가 전자쌍 두 개를 함께 씁니다. 이것이 이중 결합 O=O입니다. 질소 N₂는 원자마다 3개가 필요해 전자쌍 세 개를 함께 쓰는 삼중 결합 N≡N입니다. 모형은 공유 전자쌍마다 막대를 따로 그려서 셀 수 있게 했습니다. 탄소는 세 가지를 다 합니다. 에테인 C₂H₆에는 C-C 단일 결합, 에텐 C₂H₄에는 C=C 이중 결합, 에타인(아세틸렌) C₂H₂에는 C≡C 삼중 결합이 있습니다.

공유 전자쌍이 많을수록 원자를 더 가깝고 단단하게 붙잡습니다. NIST 자료의 탄소-탄소 거리가 이를 잘 보여 줍니다. 에테인 153.6 pm, 에텐 133.9 pm, 에타인 120.3 pm입니다. 질소의 삼중 결합(109.8 pm)은 아주 세서, 질소 기체는 우리가 들이마시는 공기의 대부분을 차지하면서도 거의 반응하지 않습니다. 식물은 이 질소를 바로 쓰지 못하고 세균과 번개가 결합을 끊어 주는 데 기댑니다.

격자가 아니라 분자

공유 결합은 정해진 수의 원자를 일정한 모양의 분자로 묶습니다. 물 분자 안의 결합은 세지만, 물 분자와 다음 물 분자 사이의 힘은 훨씬 약합니다. 그래서 많은 공유 결합 물질이 실온에서 기체나 액체이고 낮은 온도에서 녹거나 끓습니다. 분자를 깨뜨릴 필요 없이 서로 떼어 놓기만 하면 되기 때문입니다. 메테인은 약 −161.5 °C에서 끓습니다. 다이아몬드와 석영처럼 분자 구분 없이 결합이 거대한 그물을 이룬 공유 결합 물질도 있는데, 이들은 가장 단단한 물질에 속합니다.