전기음성도(Electronegativity)와 화학 결합(Chemical bonding)의 이해

1. 전기음성도(Electronegativity)의 정의

 전기음성도(Electronegativity)는 화학에서 원자가 공유 결합에서 전자를 끌어당기는 능력을 나타내는 척도입니다. 이 값은 원소의 화학적 성질을 설명하는 데 중요한 역할을 하며, 주로 공유 결합 내에서 전자 분포를 예측하는 데 사용됩니다. 기본적으로, 전기 음성도는 유효 핵전하와 원자의 전자껍질 속 전자의 수와 위치(전자가 많을수록 전자를 더 적게 끌어당김)에 의해 결정됩니다. 이때 핵전하의 관점에서는, 양성자가 많을수록 전기음성도가 더 높아집니다. 전자껍질 속 전자의 관점에서는, 최외각 전자가 핵에서 멀리 있을수록, 그리고 원자의 전자가 더 많이 있을수록 가림 효과에 의해 전기 음성도가 낮아집니다.

2. 전기음성도(Electronegativity)의 개요

 전기음성도는 차원이 없는 값으로, 일반적으로 상대적 척도로 표현됩니다. 가장 널리 사용되는 척도는 라이너스 폴링(Linus Pauling)에 의해 제안된 폴링 전기음성도입니다. 1932년 라이너스 폴링은 두 개의 서로 다른 원자(X-Y) 사이의 공유 결합이 X-X와 Y-Y 결합의 평균보다 강한 이유를 설명하기 위해 전기 음성도의 개념을 처음 제안했습니다. 폴링의 원자가 결합 이론에 따르면, 이종해가 분자의 이러한 추가적인 안정화는 이온 공명 구조에 의해 일어나며, 원소에 대한 폴링 전기 음성도를 계산하기 위해선, 해당 원소에 의해 형성된 적어도 두 가지 유형의 공유 결합의 해리 에너지에 대한 데이터가 필요합니다. 전기음성도의 또 다른 척도인 멀리 캔 척도(Mulliken scale)는 원자의 1차 이온화 에너지와 전자 친화도를 산술 평균을 구하여 계산하는 방법이며 샐러드-로코우의 척도(Allred-Rochow scale)는 원자 반경과 유효 핵전하를 이용해 계산하는 방법으로 현재에는 잘 쓰이지 않고 있습니다.

3. 전기음성도(Electronegativity)의 측정

 앞선 주기율표상의 원소들은 유사한 성질을 가진 원소들의 경향성을 확인 할 수 있었는데 전기음성도는 역시 주기율표상에서 뚜렷한 경향성을 확인할 수 있습니다. 주기율표상에서 같은 주기(Period, 가로 방향)에서 오른쪽으로 갈수록 전기음성도가 증가합니다. 이는 원자핵의 양성자 수가 많아져 전자에 대한 인력이 증가하기 때문입니다. 반면 같은 쪽(Group 위로 갈수록 전기음성도가 증가합니다. 이는 원자의 크기가 작아지고, 전자들이 원자핵에 더 가까이 위치하기 때문입니다.
대표적인 원소의 전기음성도 값(폴링 척도)을 보면 플루오린(F)은 3.98로 가장 높은 전기음성도를 가지며, 산소(O) 3.44, 탄소(C) 2.55, 수소(H) 2.20의 값을 보입니다. 가장 낮은 전기 음성도를 가지는 원소 중 하나인 세슘(Cs)은 0.79의 폴링 척도를 나타냅니다.

4. 전기음성도(Electronegativity)와 화학 결합(Chemical bonding)의 관계

 화학 결합은 두 원자의 전기 음성도 차이에 의해 결합 형태나 분자의 종류가 달라지며, 그 종류는 비극성 공유 결합(non-Polar Covalent bonding), 극성 공유 결합(Polar Covalent bonding) 그리고 이온 결합(Ionic bonding)이 형성됩니다. 아래 표는 원자 간 전기음성도와 결합의 종류를 나타낸 것입니다. 

원자간 전기음성도 차이	0.0 ~ 0.4	0.4 ~ 2.0	2.0 ~ 4.0
형성 결합 종류	비극성 공유 결합	극성 공유 결합	이온 결합

 두 원소의 전기음성도 차이가 거의 0.0 ~ 0.4 범위를 가지는 원자 간의 결합은 비극성 공유 결합(non-Polar Covalent bonding)을 형성합니다. 비극성 공유 결합을 형성할 때 두 원자의 핵 근처에서 전하의 분포가 같아지게 되고, 무극성 분자를 만들게 됩니다. 또한 공유 전자쌍의 인력이 서로 같아 전자가 한쪽으로 치우쳐지지 않습니다. 이 결합을 가지는 분자들은 수소 기체, 산소 기체, 질소 기체 등의 동핵 이원자 분자들이 대표적입니다.

 두 원소의 전기 음성도 차이가 0.4 ~ 2.0인 원자들의 결합은 주로 극성 공유 결합(Polar Covalent bonding)을 형성합니다. 극성 공유 결합은 전기 음성도가 다른 두 원자가 전자쌍을 공유하며 형성하는 결합을 말합니다. 전기 음성도가 다른 두 원자가 공유 결합을 하게 되면 전기 음성도 차이에 의해 (전자를 끌어당기는 쪽과 당겨지는 쪽이 생김) 전자가 한 원자 쪽으로 치우치게 되고 각각 원자에서 전하의 분리가 일어나게 되는데, 이때 전기 음성도가 큰 원자는 부분적 음전하(δ-)를 띠게 되며, 전기 음성도가 작은 원자는 부분적 양전하(δ+)를 띠게 됩니다. 이러한 분자 내 델타 양전하와 음전하의 분리는 쌍극자 모멘트(Dipole moment)를 유발하게 됩니다.

 

 쌍극자 모멘트(Dipole moment)는 화학에서 사용하는 개념에서는 결합 쌍극자 모멘트(bond dipole moment)가 더 정확한 표현이며 화학에서 전기 쌍극자 모멘트의 개념을 사용해 분자 내 화학 결합의 극성 정도를 나타내는 척도입니다. 결합 쌍극자(bond dipole)란 화학 결합을 형성한 두 원자 사이에서 상대적으로 전기 음성도가 더 큰 원자가 다른 원자의 전자를 당겨오는 것에 의해 생기는 쌍극자를 말합니다. 두 원자의 전기음성도 차가 커지면, 결합의 극성이 커지고, 결합 쌍극자 모멘트 또한 커지게 됩니다. 그리고, 결합 쌍극자 모멘트는 결합 축에 평행한 음전하에서 양전하 방향을 가리키는 벡터양으로 생각할 수 있습니다.

 두 원소의 전기 음성도 차이가 2.0 ~ 4.0인 원자들의 경우 대부분 이온 결합(Ionic bonding)을 형성하게 됩니다. 이온 결합은 양이온과 음이온이 정전기적 인력으로 결합하여 생기는 화학 결합입니다. 대표적인 물질로 염화나트륨(Sodium Chloride,NaCl)은 금속인 소듐(Na)과 비금속인 염소(Cl)의 결합물입니다. 이 물질은 금속의 성질을 가지는 소듐의 최외각 전자가 비금속 성질을 가지는 염소 원소에 완전히 빼앗겨 형성됩니다. 이때 소듐은 양전하를, 염소는 음전하를 띄게 됩니다. 그리고 이러한 전자 이동 후 양이온 주위를 여러 개의 음이온이 정전기적 인력으로 둘러싸는 형태의 결합을 형성하여 대부분 고체 형태의 결정구조를 이루는 경우가 많습니다.