4. Chemical bonding and structure(2)

두 번째는 COVALENT BONDING에 대한 내용입니다. 우리가 Chemical Bond에서 Bond의 타입을 보면 일단 Ionic Bond, 그리고 covalent bond에 대한 부분으로 볼 수 있고. Lewis Structures라고 해서 Lewis 구조에 대한 부분에 대해서도 공부해 볼 거예요. Lewis Structures를 보게 되면 compound에 대한 전반적인 구조, 구조를 또 알게 되면 compound가 어떠한 반응을 할 것인지에 대한 예측이 가능해지는 거죠. Lewis Structures를 만들기 위해서는 Octet 규칙이라는 것이 필요하고. 또 Resonance Structures라든지 Polar Molecules에 대한 구조들을 우리가 이해할 수 있습니다. 그래서 결국은 Molecular Geometries를 예상할 수 있는 거죠. 이걸 위해서 우리가 VSEPR이라고 하는 이론들을 활용해 볼 거예요. 일단 우리가 Lewis diagrams를 한번 봐야 합니다. Lewis diagrams라고 하는 것은 전자에 대한 부분을 점으로 표현해 준 거예요. 그리고 바깥에 있는 반응할 수 있는, 결합할 수 있는 valence electrons를 표현해 준 겁니다. 그래서 1주기에 있는 것들은 전부 다 최외각에 전자가 하나씩 있기 때문에 점 하나를 표현한 거예요. 이게 전자 하나라는 의미이고. 그다음에 두 번째 주기에는 전자가 2개, 그다음에 전자 3개, 탄소 같은 경우에는 전자 4개 그리고 질소는 전자 5개, 산소 6개, 플루오린 7개, 그리고 할로젠족은 최외각에 전자가 7개 있으면서 비어 있는 전자가 하나가 있는 형태고요. 나머지 비활성화 기체 nobles gas 같은 경우에는 헬륨을 제외하고는 최외각에 전자가 8개가 있으면서 안정한 전자 배치를 한다 이렇게 보는 겁니다. 그러면 Hydrogen끼리는 어떻게 반응하느냐? Diatomic Element 같은 경우에는 일단 각 symbols를 먼저 적어주는 거예요. 그래서 수소를 먼저 적어줍니다. 그리고 나서 Lewis Structure를 각각 하나씩 볼 거예요. 그러면 최외각에 있는 전자가 앞에서 하나씩 있다고 이야기했었죠? 이 수소가 가지고 있는 전자 하나 노란색, 다른 수소가 가지고 있는 전자 하나. 이렇게 전자를 각각 그리고 나서 이제 결합을 할 수 있는, 서로 전자를 하나씩 주고받으면서 결합선이 만들어지게끔 rearrange 합니다. electrons를. 그러면 각각에 있는 수소가 원래 노란 점, 붉은색 점, 서로 공유하고 있는 모양을 보여줘요. share하고 있는 거죠. sharing of electrons가 만들어지게 됩니다. 전자가 share하는 게 2개가 된다는 것은 선으로 표현하면 이렇게 되는 거예요. 결합선 하나. 그래서 share된 electron 전자가 2개가 되면 결합선 하나로 표현할 수 있고요. 이것은 다시 이야기하면 H₂로 이렇게 표현할 수 있습니다. Hydrogen과 Oxygen을 보면, Hydrogen 같은 경우에는 역시 전자가 하나 있는 거고요. 각각 수소가 가지고 있는 전자 하나 그다음에 Oxygen이 가지고 있는 전자 6개가 있었죠. 그래서 6개 중에서 수소와 공유하지 않는 전자가 2쌍이 있고, 수소와 각각 공유할 수 있도록 전자 하나씩을 배치하면서 사실상 sharing하고 있는 전자들은 이 2쌍에 해당하는 거죠. 수소와 같이. 그래서 산소 입장에서 봤을 때 어떤 이득이 있냐 하면, 산소는 원래 전자가 6개밖에 없었죠. 그런데 수소와 전자를 공유함으로써 8개라고 하는 안정된 octet 규칙과 같은 전자 배치 8개를 할 수 있고요. 또 수소 입장에서 봤을 때는 마침 헬륨처럼 전자 2개를 가지고 있는 안정한 배치를 하고 있다고 보는 겁니다. 전자를 share하는 이유가 있겠죠. 보다 더 안정하기 때문에 이러한 전자 sharing이 일어나게 되고, 이것을 공유결합이다. covalent한 compound를 만들 수 있습니다. 또 Carbon은 마찬가지로 바깥에 전자가 하나씩 있는데 각각 하나씩 배치하는 거예요. 쌍을 이루지 말고 하나씩 동서남북 이런 식으로. 그러고 나서 수소가 가지고 있는 노란색 수소 전자를 sharing 하면서 전체 share하고 있는 전자쌍이 4쌍이 있고, 전자쌍 1쌍은 선 하나로 이렇게 표현할 수 있는 거죠. 그래서 여기는 공유결합이 모두 4개가 이루어지고 여기는 공유결합이 2개가 됐다. 그런데 여기에서 붉은색으로 나타나 있는 부분은 여기 표현이 안 돼 있는데, 그린다면 이렇게 non pair of electrons에 해당되는 전자쌍을 나머지를 그려 넣을 수 있습니다. Covalent Bonds에 대한 부분을 보면. 일단 무조건 제일 바깥에 있는 valence shell에 있는 전자를 보고 그 전자를 가능하면 octet 규칙에 만족할 수 있도록 표현해 주는 거예요. octet 규칙이라고 하는 것 도레미파솔라시도 octave, oc이라는 이야기가 바로 8개라는 의미를 가지고 있습니다. 그래서 8개 전자가 될 수 있도록 만들어주는 거죠. 그래서 Carbon이 지금 보면 전자가 6개이지만, 우리가 보는 것은 내부 shell에 있는 전자는 고려하지 않습니다. 그리고 바깥에 있는 전자를 고려할 건데, 바깥에 있는 전자가 Carbon은 4개 그다음에 플루오린 같은 경우에는 7개가 되는 거죠. 그래서 지금 최대 둘이 가지고 있는 전자가 4개, 7개의 전자를 가지고 있다 이렇게 보는 거예요. 그래서 이러한 것을 통해서 각각 서로 octet 규칙을 만족할 수 있도록 전자 배치를 해 줘야 하고. 그리고 그것이 만족되면 Lewis Structure를 하나 만들어 볼 수 있습니다. 그래서 전자 2개, 즉 Two shared electron이 되면 single covalent bond가 만들어지는 거고요. 만약에 4개가 되면 double bond에 해당이 되는 거라고 보는 겁니다. 그리고 unshared pairs라고 하는 것, 앞에서 물 분자에서 산소 쪽에 unshared 한 electron들이 있었죠. 그런 것들은 결합에 직접적으로 참여하지 않는 상태입니다. 그리고 각 전자들은 전체가 다, 수소를 제외하고, 수소는 2개면 채워지는 거죠. 헬륨처럼. 그것을 제외한 나머지 8개의 전자가 채워질 수 있는 상태면 가장 안정한 구조를 만들 수가 있습니다. 그래서 carbon tetrafluoride, Carbon C, tetra는 4개라는 의미예요. fluoride는 F죠. 그래서 carbon이 원래 최외각에 가지고 있는 전자가 1S²2S²2P²에서 최외각에 있는 전자는 모두 4개예요. 4개의 전자를 이렇게 표현한 거고요. 그다음에 fluoride는 최외각에 전자가 7개 있습니다. 이것은 이미 서로 쌍을 이루고 있고 비어 있는 이 자리가 결합이 일어날 수 있는 자리라고 예측해 볼 수가 있겠죠. 그래서 이 자리에 각각 carbon이 가지고 있는 unshared 되어 있는 것이 여기 들어가게 되면서 쌍을 이루게 돼요. 이게 covalent bond가 된 거고, 전자 한 쌍에 대한 부분이 바로 결합선 하나라고 보는 거예요. methane도 마찬가지입니다. carbon이 가지고 있는 전자 바깥에 있는 4개가 혼자 있는 전자와 결합하게 되면 이렇게 covalent bond를 4개 만들 수가 있는 겁니다. nitrogen triiodide, 3개 iodide. nitrogen은 최외각에 전자가 5개가 있어요. 1S²2S²2P³. 그래서 바깥에 있는 전자가 5개. 그러면 이미 pair 되어 있는 전자쌍이 1쌍이 있는 거고, 나머지는 하나씩 있겠죠. 거기에 iodide의 빈자리, H할로젠족에 해당됩니다. 여기에서 서로 공유 결합이 하나씩 일어나게 된다. 그래서 이와 같이 공유 전자쌍은 3쌍이 되고, 공유결합도 3개가 나오고. 이것은 nitrogen이 원래부터 가지고 있었던 electron에 해당이 되는 겁니다. 또 carbon dioxide 같은 경우에는 carbon이 전자 4개가 있었는데, 산소에 빈자리가 2개가 각각 있는 거죠. 산소를 그리는 데 있어서 최외각에 산소 전자 6개 있다고 해서 이렇게 그리고 여기 빈자리를 만들어주지 않습니다. 이 경우는 엄밀한 의미에서 shared electron이라고 할 수 없죠. 전자를 share 하려면 네 것 하나, 내 것 하나 이렇게 줘야 하니까. 그래서 이렇게 결합을 하게 되니까 이 경우에는 double bond가 생성이 된다고 보는 거예요. 왜냐하면 여기 전자 4개가 만들어지죠. 결국은 전자 2쌍이 서로 share 하게 되고, 그래서 2개의 double bond를 만들 수 있습니다. covalent compounds와 molecular compounds에 대한 것은 서로 equal 관계에 해당이 되는 거고. covalent bond는 일반적으로 melting points가 낮은 편에 해당된다. 그래서 ionic compounds와 비교해 봤을 때, 상대적으로 더 낮은 melting points를 갖는다고 보는 거죠. 이러한 covalent bond가 일어나고 있는 것들은 보통 non-metal elements 사이에서의 결합이다. 그래서 지금 파란색으로 칠해져 있는 부분들에서 covalent bond가 일반적으로 일어나고. ionic compounds를 만들기 위해서는 metal과 nonmetal과의 결합이 바로 ionic compounds를 만들 수 있게 해 주는 거죠. 그래서 H₂가 어떻게 만들어졌느냐? 이게 서로 전자를 공유하면서 결합이 형성됐다고 하지만, 핵 간에 이러한 형태의 repel, 반발력 서로 밀어내려고 하는 힘이 생길 거예요. 그런데 반발력이 있는 반면에 또 뭐도 있느냐? 서로 간 attract 하는 성질도 있다는 거죠. 그래서 결국은 최종적으로 +, - 다 생각해 봤을 때, 서로 shared 하면서 끌어당기고 있는 힘이 더 크기 때문에, 이러한 형태의 공유결합, 즉 covalent bond가 만들어진다 이렇게 보는 겁니다. Covalent Bond라고 하는 것은 정리하면 nonmetal 사이에서의 결합이고요. nonmetal이 최외각, 즉 valence electrons를 서로 공유하면서 만들어지는 결합이 됩니다. 그리고 여기에서는 공유결합을 하는 데 있어서 서로 noble gas처럼 만들려고 한다. 즉 octet 규칙을 만족하려고 하고, 최외각에 8개 전자를 채우거나 헬륨과 같은 전자 배치를 하려고 합니다. 그래서 eight valence electrons를 만들면 stable 한 octet 형태가 되기 때문에 전자 배치가, electron configuration을 봤을 때 이와 같은 noble gas와 같은 형태가 되면 안정한 구조를 가지고 있다고 보는 거고요. 그다음에 sharing 하는 valence electrons 같은 경우에는 각각 가지고 있는 valence electrons의 전자를 서로 sharing 하면서 새로운 형태의 결합이 만들어진다고 보는 겁니다. 그래서 Covalent bond 보면, 지금 입장에서 봤을 때는 여기 지금 플루오르 전자 2개가 감춰져 있는데요. 이렇게 전체 최외각에 전자가 7개 있습니다. 이렇게 전자를 share하게 되면 여기에서 이쪽 플루오르 같은 경우에는, 이 플루오르 같은 경우에는 8개 전자를 만족하고 여기 플루오르 같은 경우에도도 8개의 전자를 각각 만족하는 서로 윈윈 상태가 되기 때문에 Covalent bond가 만들어지는 거예요. 이제 물이라고 하는 것을 보면, 물은 H₂O예요. 그러면 Hydrogen은 하나의 valence electron을 가지고 있죠. 그래서 Hydrogen 입장에서 보면 하나만 더 있으면 누구의 흉내를 낼 수 있느냐? 헬륨과 같은 전자 배치 흉내를 낼 수 있을 거예요. Oxygen 같은 경우에는 6개의 valence electron을 가지고 있습니다. Oxygen은 2개만 더 있으면 어떻게 될까요? Neon과 같은 전자 배치를 할 수 있어요. 그러면 둘이 서로 share하게 되면 각각 필요로 하는 부분을 만족할 수 있겠죠. 그래서 물 입장에서 봤을 때는 서로 부족한 부분을 채우려고 할 겁니다. 먼저 Hydrogen 같은 경우에는 전자를 산소에서 비어 있는 전자와 공유하려고 할 거고, 산소 입장에서도 전자를 수소에서부터 얻어서 공유하려고 할 거예요. 그러다 보니까 산소에 있었던 전자는 놔두고, Share를 할 수 없고. 완전히 pair 되어 있으니까. 쌍을 이루고 있는 것들은 가만히 놔두고요. 그다음에 이것은 산소 것이고요. 이것은 수소가 가지고 있었던 전자를 이렇게 share하게 됩니다. share한 전자쌍이 2쌍이 되는 거죠. 이렇게 해서 전자 2개가 되면 하나의 single bond를 각각 만들 수 있다. 이 single bond 같은 경우에는 서로 전자를 공유하는 윈윈 상태가 된다고 보는 겁니다. 이제 Lewis Structures를 한번 그려볼 거예요. Lewis Structures를 그리는 데 있어서 여기 1, 2, 3, 4 이런 식으로 표현했지만, 일단 정리는 하고요. 실제로 구조를 만들면서 이걸 이해를 하는 것이 좋습니다. 이 순서를 외우거나 하지는 않고요. 직접 구조를 가지고 대입해 볼 건데. 일단 먼저 보면, 각각 가지고 있는 valence electrons가 있을 거예요. 예를 들어서 앞에서 봤을 때 수소와 산소가 가지고 있는 valence electron이 각각 달랐죠. 산소는 6개 있었고 수소는 하나 있었어요. 또 다른 수소가 전자를 하나 가지고 있었고. 이런 식으로 valence electron의 total number를 count합니다. 그러고 나서 single bond를 할 건지 double bond를 할 건지 생각해 봐야 하는데. 이때 여러 가지 atom이 있을 경우 Carbon은 항상 center에 놓아주고요. 수소는 절대로 center에 들어갈 수 없어요. 왜냐하면 보통 center에 들어가는 것들은 전자 8개를 다 채워줘야 되는데, 수소는 그렇게 할 수 없죠. 2개까지밖에 못 채우기 때문에 수소가 있는 경우는 무조건 바깥쪽에 위치를 정해주게 됩니다. 그리고 Carbon이 있는 경우에는 안쪽에 넣어주게 되는 거죠. 물론 atom이 2개 있을 경우에는 이런 구별을 하지 않아도 됩니다. 그런데 그 이상의 atom들이 있을 경우에는 center를 누가 차지하느냐 하는 고민들이 생기겠죠. 그러고 나서 octet 규칙을 만족할 수 있도록 전자들을 배치를 해 보고요. 그다음에 서로 전자 배치했을 때 octet이 넘어가지 않도록 배치를 해 줘야 합니다. 특히 수소 같은 경우에도 전자 배치를 2개까지밖에 채울 수 없기 때문에 잘 확인해 둬야 하겠죠. 그리고 Multiple Bonds 같은 경우에는 한 쌍 이상의 전자를 share하면서 단일 결합 이상이 나오는 것들을 Multiple Bonds라고 하고요. Multiple Bonds는 double bond나 triple bond를 이야기합니다. 그래서 double bond라고 하는 것은 두 쌍, 결국은 전자 4개가 공유되어 있고. 그다음에 triple bond는 3쌍. 결국은 전자 6개가 공유되어 있는 것을 말합니다. Carbon dioxide를 볼게요. Carbon dioxide에서 탄소와 산소가 있으니까 이 경우에는 Carbon을 가운데에 놔줘야 되는 거죠. 그리고 Carbon이 가지고 있는 전자가 4개가 됩니다. 그러니까 Carbon 입장에서는 4개만 더 있으면 아주 안정한 배치를 할 수 있을 거고요. 산소는 6개가 있어요. 그러면 2개만 더 얻으면 8개의 전자 배치를 할 수 있겠죠. 그래서 일단 Carbon을 이렇게 두고, 그러고 나서 가운데에 탄소를 놓았으니까 양쪽에 산소를 배치해 줄 거예요. 그러면 산소가 가지고 있는 전자 6개 중에서 이렇게 배치해 보고 또 다른 산소와 이렇게 배치해 봐요. 그렇지만 이렇게 하나씩 전자들이 남아있겠죠. 이쪽에서도 Carbon이 하나씩 전자가 혼자 있고. 홀전자라고 합니다. 혼자 있는 전자를 가지고 있게 되면 굉장히 반응성이 커져요. 그래서 이런 전자 배치 상태로 완전하게 마무리할 수는 없습니다. 그래서 다시 전자 배치를 해 주는 거예요. 이렇게 전자를 서로 공유하면서 전체적으로 이중 결합을 하고 있는 double bond를 볼 수 있습니다. 그러면 이걸 어떻게 그려야 하느냐, 이런 문제가 생기는 거예요. 그래서 valence electron의 개수가 모두 몇 개인지 세어봅니다. 그리고 total number가 만약에 각 electron이 몇 개가 있었을 때 서로서로 happy할까를 보는 거고요. 둘의 관계는 서로 subtract 하는 거예요. 그러고 나서 2로 나눠주게 됩니다. 2로 나누는 이유는 이게 share하는 전자가 2개면 결합선이 하나잖아요? 결합선에 대한 부분을 보기 위해서 2로 나눠주게 되는 거예요. 그러고 나서 전자 배치를 그려 주기 시작하고. 나머지 부분에 대한 것들은 비어 있는 위치나 또는 nonpaired electron으로 표현해 주게 됩니다. 그러면 한번 해 볼게요. 질소 입장에서 봤을 때 NH3의 구조를 볼 건데요. 질소 입장에서 봤을 때 최대 가지고 있는 전자가 5개입니다. 8개 하고 싶겠죠. 그래야 octet 규칙을 만족하니까. 그리고 수소는 전자가 하나 있어요. 2개를 만들고 싶겠죠. 그래서 어떻게 하냐 하면. 질소가 실제로 가지고 있는 total 전자를 다 count합니다. 즉 valence electron 전자의 total을 다 ㅊount하는 거죠. 그래서 5개, 수소는 하나인데 곱하기 3개 해서 현재 가지고 있는 전자는 8개입니다. 그런데 만약에 각각 안정하고 싶다 그러면 nitrogen 같은 경우에는 8개가 있어야 octet이 되니까 안정할 거고 수소는 2개 있고 싶어 하는 거죠. 헬륨처럼. 그런 것이 3개가 있으니까 곱하기 2해서 6, 그래서 14개. 결국은 이 둘의 관계가 굉장히 중요한데요. 내가 가지고 있는 것은 8개밖에 없는데, 8개를 가지고 14개의 흉내를 내야 되는 거예요. 그러면 14개에서 8개를 빼 준다고 이야기했습니다. 그러면 6개가 나오죠. 6개가 바로 share해야 되는 부분이에요. 전자를 share해야 된다. 그래야만 8개 가지고 14개의 흉내를 낼 수 있다는 이야기입니다. 그래서 실제로 전자 6개를 share해야 된다는 이야기는 6 나누기 2를 하면 결합선은 3개가 되는 거예요. 그래서 모두 3개의 결합선을 공유하게 된다고 보는 겁니다. 그래서 이렇게 전자 6개가 share하게 되고, 그리고 이걸 결합선으로 표현하면 N, H, H, H 이렇게 표현하게 되고 나머지 자리는 원래 질소가 가지고 있었던 전자들에 해당된다. 이렇게 하면 서로서로 happy하다, 이렇게 보는 겁니다. 그다음에 이번에는 HCN, 사이안화수소에 대한 부분인데요. 여기 지금 atom이 3개죠. 이 중에서 center에 놓는 것은 Carbon이 들어가야 한다고 보는 거예요. 그러고 나서 각각 valence electron을 count합니다. 각 valence electron이 5개, 4개, 1개. 그러면 total valence electron은 10개죠. 그런데 각각 전자가 octet 규칙을 만족하거나 안정하려면 수소는 2개면 헬륨 흉내를 낼 수 있으니까 안정하고 나머지는 다 8이라고 보는 거예요. 그러면 전체 18개가 있으면 안정한데, 10개 가지고 18개 흉내를 내야 하니까 둘을 빼 보는 겁니다. 그러면 8개 전자가 서로 공유돼야 한다는 이야기예요. 8개의 전자를 공유해야 한다. 나누기 2를 하면 결합선은 4개가 된다는 거죠. 결합선이 4개가 될 수 있는 방법을 찾아보면, Carbon이 center에 있고, 수소는 어딘가 바깥에 있을 거고, 그다음에 Nitrogen이 있는데, 선을 4개 그려야 돼요. 그러면 수소 쪽에는 하나밖에 못 그리겠죠. 나머지 자리에 4개를 그리게 된다 이렇게 보는 겁니다. 그리고 여기서 또 하나 생각해 볼 것은, 지금 전자를 가지고 있는 게 모두 10개였어요, valence electron total 합이. 그런데 내가 share한 게 8개입니다. 그러면 10에서 8을 뺀 2개가 어떤 것이냐 하면, 서로 share하지 않고 남아있는 것이다. 이 전자 2개를 어디에 쓸 것이냐? 수소는 쓰면 안 되겠죠. 탄소는 이미 결합선이 4개예요. 그렇다는 건 전자 8개죠. Nitrogen 같은 경우에는 이쪽에 결합선이 3개이니까 전자 6개를 쓴 거고 그다음에 나머지 2개를 Nitrogen 쪽에 놓으면 서로서로 happy한 상태가 된다고 보는 겁니다. 사이안화수소의 결합 배치를 보면 일단 수소 쪽에는 single bonds를 다 넣아줄 거고요. 그다음에 탄소와 Nitrogen 사이에서 전자 6개를 넣을 거고요. 그리고 나머지 전자 2개 남는 것에 대해서는 질소 쪽에 넣어서 탄소와 질소 사이에는 삼중 결합이 형성이 됩니다.