극성과 물

물(18 g/mol)은 100 °C에서 끓습니다. 질량이 비슷한 메테인(16 g/mol)은 약 −161.5 °C에서 끓습니다.

플라스틱 빗을 머리카락에 문지른 뒤 가늘게 흐르는 수돗물 옆에 대 보면 물줄기가 빗 쪽으로 휩니다. 식용유 줄기로 해 보면 거의 변화가 없습니다. 물 분자에는 (+) 쪽과 (−) 쪽이 있고, 전기를 띤 빗이 이를 끌어당기기 때문입니다. 이렇게 전하가 한쪽으로 치우친 성질을 극성이라고 하며, 물이 다른 작은 분자와 그토록 다르게 행동하는 까닭의 상당 부분이 여기서 설명됩니다.

극성 결합

서로 다른 두 원자 사이의 공유 결합에서는 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자쌍을 더 가까이 당깁니다. 산소의 전기 음성도는 3.44, 수소는 2.20이므로, O-H 결합마다 전자가 산소 가까이 더 오래 머뭅니다. 산소는 약한 (−) 전하(δ−), 수소는 약한 (+) 전하(δ+)를 띱니다. 이런 결합이 극성 결합입니다. H₂, O₂, Cl₂처럼 같은 원자끼리의 결합은 차이가 0이라 무극성입니다. 차이가 0.35인 C-H 결합은 보통 거의 무극성으로 봅니다.

분자의 극성은 모양이 정합니다

극성 결합을 가지고도 분자 전체로는 무극성일 수 있습니다. 이산화 탄소의 C=O 결합 두 개는 극성이 크지만, 분자가 일직선이라 두 당김이 정확히 반대 방향을 향해 상쇄됩니다. 힘이 같은 두 팀의 줄다리기와 같습니다. 메테인의 약한 극성 결합 넷도 정사면체 꼭짓점을 향해 서로 상쇄됩니다. 물은 굽어 있습니다. O-H 두 결합의 당김이 모두 어느 정도 산소 쪽을 향해 상쇄되지 않으므로, 분자 전체가 산소 쪽은 (−), 두 수소 사이 쪽은 (+)를 띱니다. 삼각뿔형인 암모니아도 같은 까닭으로 극성입니다.

수소 결합

물 분자 하나의 δ+ 수소는 이웃 분자 산소의 비공유 전자쌍에 끌립니다. 분자 사이의 이 끌림을 수소 결합이라고 합니다. 분자 안의 O-H 공유 결합보다 훨씬 약하지만, 물 분자마다 여러 개를 만들 수 있어서 모두 합치면 액체 물을 단단히 붙잡아 둡니다. 물을 끓이려면 이 그물을 끊어야 합니다. 그래서 물은 100 °C에서 끓고, 질량은 거의 같지만 무극성인 메테인은 약 −161.5 °C에서 끓습니다.

얼음이 물에 뜨는 것도 수소 결합 때문입니다. 물이 얼면 분자마다 산소의 사면체 방향으로 수소 결합 4개에 묶여 틈이 많은 열린 구조가 됩니다. 그래서 얼음은 액체 물보다 밀도가 낮아 약 0.92 g/cm³로, 약 1.00 g/cm³인 물보다 가볍습니다. 호수는 위에서부터 얼고, 얼음층이 그 아래 물을 덮어 보온합니다.

극성은 무엇이 무엇에 녹는지도 정합니다. 극성인 물은 소금과 설탕을 녹입니다. 소금의 이온과 설탕의 극성 부분이 물 분자에 끌리기 때문입니다. 기름은 거의 무극성인 탄소와 수소의 긴 사슬로 되어 있어, 물 분자는 기름보다 자기들끼리 달라붙고 둘은 층이 나뉩니다. 화학자는 이를 「비슷한 것이 비슷한 것을 녹인다」로 요약합니다.

전기 음성도 차이는 결합의 종류를 잇는 대략의 사다리가 됩니다. Cl-Cl처럼 차이가 0이면 순수한 공유 결합입니다. C-H의 0.35처럼 차이가 작으면 거의 무극성입니다. O-H의 1.24처럼 중간쯤이면 극성 공유 결합입니다. Na-Cl의 2.23처럼 2 언저리를 넘으면 전자가 사실상 주인을 바꾸어 이온 결합이라고 부릅니다. 결합은 상자 사이를 건너뛰지 않고 사다리를 따라 미끄러지듯 변하므로, 경계 근처의 이름은 어느 정도 약속입니다.