분자(molecule)와 화학 결합(Chemical bonding)의 정의와 분류

1. 분자의 정의

 분자(molecule)는 한 개 또는 두 개 이상의 비금속 원자가 화학 결합에 의해 전기적으로 전하를 띠거나 중성을 띠는 원자 그룹으로, 물질의 고유한 성질을 가지는 가장 작은 단위 입자로서 정의됩니다. 분자는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등의 비활성 기체처럼 원자 하나로 이루어진 일원자 분자, 수소 기체(H2), 산소 기체(O2) 등 동일한 두 원자의 결합인 이원자 분자, 물(H2O), 이산화탄소(CO2)등의 두 종류의 원소를 포함하는 세 원자 간의 결합인 삼원자 분자로 구분하기도 합니다. 대부분의 분자는 매우 작아서 사람의 육안으로 보이지 않습니다. 가장 크기가 작은 분자는 이원자 분자인 수소(H2)로 원자 간의 결합 간격은 0.74 옹스트롬으로 밝혀졌습니다. 일반적으로 유기 합성을 위하여 쓰이는 분자의 크기는 수 옴스트롱(Å)에서부터 수십 옴스트롬(Å)으로 다양합니다.

2. 분자 개념의 발견

 분자라는 개념을 처음 제안한 것은 아보가드로로서 그의 분자설은 아보가드로의 법칙으로 나타납니다. 아보가드로 법칙(Avogadro's law)은 이탈리아의 아메데오 아보가드로가 1812년 발표한 기체 법칙에 대한 가설로 아보가드로의 가설이라고도 합니다. 이 가설은 모든 기체는 같은 온도, 같은 압력에서 같은 부피 속에 같은 개수의 입자(분자)를 포함한다는 것이 주된 내용입니다. 아보가드로의 법칙을 요약하면 아래와 같습니다. 

 

첫 번째, 모든 기체는 같은 온도, 같은 압력에서 같은 부피 속에 같은 개수의 입자(분자)를 포함합니다.
두 번째, 기체 분자는 화학적, 물리적 특성과는 무관하게 같은 온도와 압력에서 기체 시료가 차지하는 부피는 기체의 mol 수(분자 수)에 비례합니다. 예를 들면 분자의 mol 수(분자 수)가 2배가 되면 부피도 2배가 된다는 것입니다.
세 번째, 일정한 온도와 압력에서 기체의 부피는 몰수에 비례합니다. 

3. 분자의 분류

 분자는 기체 상태로 존재하는 작은 규모의 공유 결합 그룹에서만 적용되는데, 이는 질소(N2), 산소(O2), 염소(Cl2)의 경우처럼 홑 원소(동종핵 화합물)로 존재할 수도 있고, 물 분자(H2O)처럼 서로 다른 원소끼리 결합한 삼원자 분자를 이룰 수도 있습니다. 단백질이나 DNA처럼 분자의 크기가 매우 큰 것은 고분자로 분류되며, 다이아몬드의 경우처럼 탄소 원자 간의 공유 결합이 끊임없이 이어져 통째로 하나의 분자로 존재하는 경우도 있습니다. 수소 결합 및 이온 결합과 같은 비공유결합에 의해 결합된 경우 분자라고 부르지 않고 화학식 단위(formula unit)라고 분류합니다.

*고분자(macromolecule)에 대한 명확한 정의는 존재하지 않으나 일반적으로 많은 작은 분자들로 이루어진 분자량이 1만 이상인 큰 분자를 말하며, 원자의 갯수는 100개 이상의 원자로 구성되어 있습니다. 대부분 단분자(monomer) 간의 공유결합이 형성된 형태인 중합체(Polymer)로 존재하며 물질의 성질은 분자량이 일정하지 않아 녹는점과 끓는점도 불 균일하며, 액체 또는 고체로 존재합니다.

4. 화학 결합(Chemical bonding)의 정의와 종류

 화학 결합은 원자 또는 원자단의 집합체에서 그 구성 원자들 간에 작용하여, 이를 하나의 단위체로 간주할 수 있게 하는 힘 혹은 결합을 말합니다. 화학 결합은 크게 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합, 배위 결합 등으로 구분됩니다.

1) 공유결합(Covalent Bond)

 공유결합(Covalent Bond)은 두 원자가 전자쌍을 공유하여 이루어지는 화학 결합을 의미합니다. 이 결합은 주로 비금속 원소들 사이에서 형성되며, 공유된 전자가 원자들 사이의 결합력을 제공합니다. 공유결합의 특징은 전자쌍의 공유입니다. 두 원자가 가진 각각의 전자를 공유하여 전자쌍을 형성함으로써 결합이 완성됩니다. 공유된 전자는 두 원자의 핵 사이에서 머물며 결합을 안정화시킵니다. 이때 두 원자의 전기음성도 차이에 의해 분자의 극성이 결정됩니다. 전자쌍이 두 원자 사이에 동일한 거리로 존재하는 경우 분자의 극성은 나타나지 않게 되고 이를 비극성 공유결합이라고 합니다. 반면, 전자쌍이 전기음성도가 큰 원자 쪽으로 치우쳐진 경우 이 분자는 극성을 가지며 이러한 결합 형태를 극성 공유결합이라고 합니다.  
 공유 결합은 원자간 전자쌍의 공유 개수에 따라 결합선을 최대 3개까지 형성할 수 있습니다. 단일 결합(Single Bond)은 전자쌍 1개를 공유하며 대표적인 예로 수소 기체(H-H), 물(H₂O)등이 해당됩니다. 이중 결합(Double Bond)은 전자쌍 2개를 공유하여 결합선을 2개 형성하는 결합으로 산소기체(O₂), 이산화탄소(CO₂)등이 있습니다. 삼중 결합 (Triple Bond)은 전자쌍 3개를 공유하며 결합선을 최대 3개까지 형성할 수 있습니다. 그 대표적인 예로 질소기체(N₂), 아세틸렌(C₂H₂) 등이 있습니다. 

2) 이온결합(Ionic Bond)

 이온결합(Ionic Bond)은 전자를 잃거나 얻어 형성된 양이온(+)과 음이온(-) 사이의 정전기적 인력에 의해 형성되는 화학 결합입니다. 이 결합은 주로 금속 원소와 비금속 원소 사이에서 발생하며, 결합된 물질을 이온 화합물이라고 부릅니다. 이온 결합의 형성 과정은 전자의 이동으로 시작됩니다. 금속 원소는 전자를 잃어 양이온(양전하)을 형성하고 비금속 원소는 전자를 얻어 음이온(음전하)을 형성하게 됩니다. 이렇게 원소들이 전하를 띄게 되면 두 원소 간의 정전기적 인력이 발생하게 됩니다. 정전기적 인력은 양이온과 음이온 사이의 인력(전기적 끌림)으로 두 원소들이 결합이 형성할 수 있게 합니다. 대표적으로 소금(NaCl)의 형성은 소듐 원자(Na)가 전자를 하나 잃어 Na⁺의 양전하를 띄고 염소(Cl)는 전자를 하나 얻어 Cl⁻의 음전하를 띄게 되면 정전기적 인력으로 Na⁺ + Cl⁻ → NaCl 결합이 형성되어 소금(Sodium chloride)이 형성되게 됩니다. 
 이온결합의 특징은 강한 결합력을 가집니다. 결합시 만들어지는 정전기적 인력이 매우 강해 이온 결합은 단단한 결정 구조를 형성하게 됩니다. 또한 이온 화합물은 고체 상태에서 규칙적인 배열을 가진 결정체를 형성합니다. 앞서 예를 들은 소금(Sodium chloride)은 정육면체 구조를 가집니다. 또한 높은 녹는점과 끓는점을 가지고 있어 열에 대한 저항성이 높고 고체 상태에서는 이온의 움직임이 고정되어 전류를 통하지 못하지만, 액체 상태나 용액 상태에서는 이온이 자유롭게 움직여 전류를 통하게 할 수 있는 전기 전도성을 가집니다.

3) 금속결합(Metallic Bond)

 금속결합(Metallic Bond)은 금속 원자들이 자유롭게 움직이는 전자들(자유전자)과 금속 이온 사이의 정전기적 인력에 의해 형성되는 결합입니다. 이 결합은 금속 원자들이 특유의 물리적 성질(전기 전도성, 열 전도성, 연성 등)을 갖게 하는 원인이 됩니다. 금속결합의 형성 과정은 금속 원자들은 최외각 전자를 쉽게 잃는 특성에서 시작합니다. 금속 원자가 잃은 전자는 금속 원자들 사이를 자유롭게 이동하며 전자 구름을 형성합니다. 그리고 전자를 잃은 금속 원자들은 양전하를 띤 금속 양이온이 됩니다. 이 양이온들은 규칙적으로 배열된 금속 격자를 형성합니다. 이때 자유롭게 움직이는 전자와 금속 양이온 사이의 정전기적 인력이 발생하고 금속 결합을 형성합니다.
 금속결합의 특징은 자유 전자와 금속 이온 사이의 인력으로 인해 금속결합은 결합력이 매우 강합니다. 또한 금속 결합은 개별 원자와 전자 사이의 결합이 아니라, 금속 전체의 집합적인 성질로 작용합니다. 이때 자유 전자는 특정 금속 이온에 고정되지 않고 금속 전체를 자유롭게 움직일 수 있는데 금속 내부를 자유전자들이 이동하면서 전류를 전달하여 높은 전기 전도도를 가집니다. 자유 전자는 전류 이외에도 열 에너지를 잘 전달하여 주변의 열 에너지를 금속 전체로 확산시키는 역할도 합니다. 금속 결합은 금속 이온이 자유 전자구름 속에 떠 있는 구조이므로, 외부 힘에 의해 금속 이온 배열이 바뀌어도 결합이 유지됩니다. 이러한 결합의 특징으로 형성되는 특성이 연성(Ductility)과 전성(Malleability)입니다. 연성은 금속을 가늘고 길게 뽑을 수 있는 특징이며 전성은 금속을 얇은 판으로 늘릴 수 있는 특징입니다.