원자는 왜 결합할까

H-H 결합 1몰을 끊는 데 436 kJ가 듭니다. 수소 원자 두 개는 떨어져 있을 때보다 붙어 있을 때 훨씬 안정합니다.

우리 둘레의 물질 가운데 원자 하나하나가 따로 떨어져 있는 것은 거의 없습니다. 공기는 대부분 N₂와 O₂ 분자이고, 물은 H₂O이며, 소금 한 알은 나트륨과 염소가 수십억 개씩 빽빽하게 모인 덩어리입니다. 원자 하나씩 따로 떠다니는 것은 비활성 기체뿐입니다. 그러니 궁금한 것은 원자가 결합하느냐가 아니라 왜 결합하는지, 그리고 왜 어떤 조합은 생기고 어떤 조합은 생기지 않는지입니다.

에너지가 낮을수록 안정합니다

언덕의 공은 굴러 내려가 골짜기에 머뭅니다. 원자도 에너지에 대해 같은 규칙을 따릅니다. 수소 원자 두 개가 가까워지면 각 원자의 전자가 두 원자핵에 동시에 끌립니다. 어느 거리까지는 이 끌림이 원자핵끼리, 전자끼리 밀어내는 힘보다 커서 전체 에너지가 낮아집니다. 두 원자핵이 74 pm 떨어졌을 때 에너지가 가장 낮습니다. 더 가까이 밀면 밀어내는 힘이 이기고, 떼어 놓으려면 에너지를 다시 넣어야 합니다. 이 골짜기가 바로 결합입니다.

골짜기의 깊이가 결합 에너지입니다. 수소는 분자 1몰(결합 약 6 × 10²³개)에 436 kJ입니다. 분자를 쪼개려면 이만큼의 에너지를 넣어야 하고, 원자가 결합할 때는 이만큼이 나옵니다. 연료는 이를 거꾸로 이용합니다. 수소가 타면 약한 결합이 끊기고 물의 더 센 결합이 생기며, 그 차이가 열로 나옵니다.

74 pm라는 거리는 어떻게 잴까요? 자를 쓰는 사람은 없습니다. 분자는 돌고 떨리며, 원자 사이 거리와 결합이 얼마나 뻣뻣한지에 따라 정해진 진동수의 빛만 흡수합니다. 분광기로 그 진동수를 재면 계산으로 결합 길이와 결합각이 나옵니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 계산화학 비교 데이터베이스(CCCBDB)가 이렇게 잰 구조를 모아 두었고, 이 과정의 3D 모형에 쓴 결합 길이와 각도는 모두 여기서 가져왔습니다.

꽉 찬 껍질이라는 규칙

화학자에게는 어떤 결합이 생길지 빠르게 짐작하는 방법이 있습니다. 바깥 껍질이 꽉 찬 비활성 기체는 거의 반응하지 않으니, 꽉 찬 껍질은 편안한 배치로 보입니다. 많은 원자가 결합으로 바깥 껍질을 꽉 채우는데, 대개 전자 8개이고 수소는 2개입니다. 이를 옥텟 규칙이라고 합니다. 미국 화학자 길버트 루이스가 1916년 공유 전자쌍을 설명했고, 그가 쓴 점 그림은 지금도 결합 속 전자를 셀 때 씁니다.

꽉 찬 껍질에 이르는 길은 셋이고, 여기서 결합의 큰 세 종류가 나옵니다. 원자가 다른 원자에게 전자를 넘겨주면 이온이 생기고 전기적 끌림으로 붙습니다. 이것이 이온 결합입니다. 두 원자가 전자쌍을 함께 쓰고 각자 그 전자를 자기 것으로 세면 공유 결합입니다. 금속 원자 여럿이 바깥 전자를 한데 모으면 금속 결합입니다. 어느 것이 생기는지는 주로 원자가 전자를 당기는 세기인 전기 음성도가 정합니다.

옥텟 규칙은 길잡이일 뿐 법칙은 아닙니다. BF₃의 붕소는 바깥 전자가 6개뿐이고, SF₆의 황은 12개입니다. 전이 금속은 다른 방식으로 셉니다. 그래도 원자 번호 20까지의 원소와 탄소, 질소, 산소 화합물에서는 꽤 잘 맞으므로 출발점으로 삼기에 알맞습니다.