이온 결합

소금 결정 속 나트륨 이온 하나에는 염화 이온 6개가 모두 282 pm 거리에 붙어 있습니다.

식탁 소금을 돋보기로 보면 작은 정육면체가 많습니다. 그 모양이 속에서 무슨 일이 일어나는지 알려 줍니다. 염화 나트륨은 따로 떨어진 분자로 되어 있지 않습니다. 나트륨 이온과 염화 이온이 모든 방향으로 번갈아 놓인 규칙적인 3차원 격자이고, 눈에 보이는 정육면체는 그 격자가 수백만 번 되풀이된 것입니다.

전자를 주고받기

나트륨 원자는 전자 11개가 2, 8, 1로 놓여 있습니다. 바깥 전자 하나가 약하게 붙잡혀 있어서 이를 잃고 네온과 같은 꽉 찬 껍질이 될 수 있습니다. 양성자 11개에 전자 10개가 되므로 양이온 Na⁺가 됩니다. 염소 원자는 전자 17개가 2, 8, 7로 놓여 꽉 찬 껍질에 하나가 모자랍니다. 전자 하나를 받아 아르곤처럼 전자가 18개인 Cl⁻가 됩니다. 나트륨의 전기 음성도는 0.93, 염소는 3.16입니다. 차이가 이만큼 크면 전자는 함께 쓰이지 않고 주인이 바뀝니다.

다른 전하는 서로 끌어당기고, 그 끌림이 이온 결합입니다. 이 결합에는 정해진 방향이 없습니다. Na⁺ 하나는 둘레의 Cl⁻ 모두를, Cl⁻ 하나는 둘레의 Na⁺ 모두를 끌어당깁니다. 가장 안정하게 쌓는 방법이 모형의 암염 구조입니다. 이온마다 반대 전하의 이웃 6개가 위아래, 좌우, 앞뒤에 서로 90°를 이루며 놓입니다. 이웃한 이온 중심 사이 거리는 282 pm로, 되풀이되는 정육면체 한 변 564 pm의 절반입니다.

화학식 쓰기

따로 떨어진 분자가 없으므로 이온 화합물의 화학식은 이온의 개수비만 나타냅니다. NaCl은 염소 하나에 나트륨 하나라는 뜻입니다. 전하의 합은 0이어야 합니다. 마그네슘은 Mg²⁺가 되므로 염화 이온 2개가 필요해 MgCl₂입니다. 알루미늄은 Al³⁺, 산소는 O²⁻가 되는데, +3과 −2를 맞추는 가장 작은 정수는 알루미늄 2개와 산소 3개이므로 Al₂O₃입니다. 1족 금속은 1+, 2족은 2+, 17족 비금속은 1−, 16족은 2− 이온이 됩니다.

이온 결합이 성질에 끼치는 영향

이온 하나를 여러 이웃이 붙잡고 있으므로 결정을 떼어 놓으려면 에너지가 많이 듭니다. 염화 나트륨은 801 °C에서 녹아 부엌 오븐보다 훨씬 뜨거워야 합니다. 고체 소금은 이온이 제자리에 묶여 있어 전기가 통하지 않습니다. 녹이거나 물에 녹이면 이온이 움직일 수 있어 전기가 통합니다. 이온 결정은 잘 부서지기도 합니다. 소금 결정을 세게 치면 한 층이 미끄러지면서 같은 전하끼리 마주 보게 되고, 서로 밀어내어 결정이 평평한 면을 따라 쪼개집니다.

이온은 원래 원자와 크기가 다릅니다. 나트륨은 바깥 껍질을 잃어 이온 반지름이 약 102 pm로 줄고, 염화 이온은 전자가 하나 늘어 약 181 pm로 커집니다. 공간 채움 모형에서는 큰 초록색 염화 이온이 공간을 대부분 채우고, 작은 보라색 나트륨 이온이 그 틈에 들어앉은 모습이 보입니다.

소금이 물에 녹을 때는 격자가 이온 하나씩 떨어져 나갑니다. 물 분자가 이온마다 둘러싸는데, 약한 (−) 전하를 띤 산소 쪽은 Na⁺ 이온을, 약한 (+) 전하를 띤 수소 쪽은 Cl⁻ 이온을 향합니다. 이렇게 둘러싸인 이온은 결정에서 떨어져 물속으로 퍼집니다. 녹은 이온이 움직일 수 있으므로 소금물에는 전기가 통하고, 전기 제품과 바닷물이 위험한 조합인 까닭 가운데 하나가 이것입니다. 물 분자의 양 끝이 왜 전기를 띠는지는 극성 단원에서 다룹니다.