이온 결합과 공유 결합 — 소금과 물의 차이

소금물에 전선을 담그면 전구에 불이 들어옵니다. 그런데 똑같이 물에 녹인 설탕물에 담그면 불이 들어오지 않습니다. 둘 다 흰 가루가 물에 녹아 투명해진 것인데 왜 다를까요. 소금과 설탕이 서로 다른 방식으로 결합해 있기 때문입니다. 원자들이 붙어 있는 방식은 크게 두 가지, 이온 결합과 공유 결합입니다.

왜 결합할까 — 전자 여덟 개

원자의 성질은 가장 바깥 껍질에 있는 전자, 곧 최외각 전자가 정합니다. 이 자리가 여덟 개로 꽉 차면 원자는 더 이상 변하려 하지 않습니다. 헬륨·네온·아르곤 같은 비활성 기체가 다른 원소와 잘 반응하지 않는 것이 그 증거입니다.

그래서 다른 원자들은 이 배치를 얻으려고 애를 씁니다. 방법은 둘입니다. 전자를 주고받거나, 전자를 함께 쓰거나. 이 갈림길이 곧 두 결합의 갈림길입니다.

이온 결합 — 주고받는다

나트륨은 최외각 전자가 하나뿐입니다. 일곱 개를 더 얻기보다 하나를 버리는 쪽이 쉽습니다. 반대로 염소는 일곱 개를 가지고 있어 하나만 받으면 여덟이 됩니다.

그래서 나트륨은 전자 하나를 염소에게 넘깁니다. 전자를 잃은 나트륨은 양전하를 띤 $\mathrm{Na^+}$ 이 되고, 받은 염소는 음전하를 띤 $\mathrm{Cl^-}$ 이 됩니다. 이렇게 전하를 띤 입자를 이온이라고 합니다.

전하가 반대인 두 이온은 서로 끌어당깁니다. 이 정전기적 인력이 곧 이온 결합입니다. 금속 원소는 전자를 잃기 쉽고 비금속 원소는 얻기 쉬우니, 이온 결합은 대개 금속과 비금속 사이에서 생깁니다.

공유 결합 — 함께 쓴다

비금속끼리 만나면 사정이 다릅니다. 둘 다 전자를 얻고 싶어 하니 누구도 내주려 하지 않습니다.

그래서 각각 전자를 내놓아 한 쌍을 함께 씁니다. 이 전자쌍은 두 원자 모두의 것으로 세어지므로, 양쪽이 동시에 여덟 개를 채운 셈이 됩니다. 이것이 공유 결합입니다.

물이 그렇습니다. 산소는 두 개가 모자라서 수소 둘과 각각 한 쌍씩 나눠 씁니다. 그래서 물의 화학식이 $\mathrm{H_2O}$ 입니다. 공유 결합으로 묶인 원자 덩어리를 분자라고 부릅니다.

결합이 다르면 성질이 다릅니다

이온 결합 물질은 이온이 전기적 인력으로 사방에서 서로를 붙잡고 규칙적으로 쌓입니다. 잡아떼려면 큰 힘이 드니 녹는점이 높습니다. 반면 분자는 낱낱이 떨어져 있어 서로 붙드는 힘이 약합니다. 그래서 분자로 된 물질은 녹는점이 낮고, 물처럼 상온에서 액체이거나 기체인 것이 많습니다.

전기가 통하는지도 여기서 갈립니다. 전기가 통하려면 전하를 띤 입자가 움직일 수 있어야 합니다.

• 고체 소금 — 이온은 있지만 자리에 묶여 있어 통하지 않습니다.
• 소금물 — 물에 녹으면서 이온이 흩어져 자유롭게 움직이니 통합니다. 녹여서 액체로 만들어도 마찬가지입니다.
• 설탕물 — 설탕은 공유 결합 물질입니다. 녹아도 분자 그대로여서 전하를 띤 입자가 없으니 통하지 않습니다.

소금물이 전기를 통하는 성질은 중화 반응에서 산과 염기를 다룰 때 다시 나옵니다. 산도 염기도 물에서 이온을 내놓기 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 물질을 주고 결합의 종류 고르기. 금속과 비금속이면 이온 결합, 비금속끼리면 공유 결합입니다.
• 전자 배치 그림에서 전자가 이동했는지 공유되었는지 읽기.
• 전기 전도성 실험 해석. 고체 상태에서 안 통하다가 물에 녹여 통하면 이온 결합입니다.
• 녹는점 비교. 이온 결합 물질이 대체로 높습니다.
• 이온의 전하 알아내기. 최외각 전자를 하나 잃으면 $\mathrm{Na^+}$, 둘 잃으면 $\mathrm{Mg^{2+}}$, 하나 얻으면 $\mathrm{Cl^-}$ 입니다.

자주 헷갈리는 것

• "물에 녹으면 다 전기가 통한다" — 이온이 생겨야 통합니다. 설탕은 아무리 녹여도 분자 그대로입니다.
• "이온 결합 물질은 전기가 안 통한다" — 고체일 때만 그렇습니다. 녹이거나 물에 넣으면 통합니다.
• "공유 결합은 이온 결합보다 약하다" — 결합 자체는 오히려 강합니다. 녹는점이 낮은 것은 결합이 약해서가 아니라 분자끼리 서로 붙드는 힘이 약해서입니다.
• "$\mathrm{H_2O}$ 의 2 는 물 분자가 두 개라는 뜻이다" — 한 분자 안에 수소 원자가 둘이라는 뜻입니다.

정리합니다. 원자는 최외각 전자를 여덟 개로 채우려고 결합합니다. 전자를 주고받아 이온이 되어 끌어당기면 이온 결합, 전자쌍을 함께 쓰면 공유 결합입니다. 이온 결합 물질은 녹는점이 높고 녹이거나 물에 넣으면 전기가 통하며, 분자로 된 물질은 녹는점이 낮고 전기가 통하지 않습니다.