화학의 결합과 물질의 3가지 상태

 

화학의 결합

화학은 2개 이상의 원자를 결합해서 물, 소금, 석유 같은 화합물을 만들어 낸다고 합니다. 원자들은 원자핵을 중심으로 회전 운동하는 음의 전하를 띤 전자가 보다 안정된 구조를 형성하도록 하기 위해 결합합니다. 안정적인 화합물의 경우 전체 에너지는 개별 원자들의 에너지보다 낮습니다. 기본적인 화학 결합으로 공유 결합, 이온 결합, 금속 결합 등이 있습니다. 

공유 결합은 미국의 물리화학자 길버트 루이스에 의해 1917년 처음 설명이 되었습니다. 공유 결합에서는 원자들이 하나 이상의 전자쌍을 공유하는데요, 전자쌍을 한 쌍만 공유하는 단일 결합과 두 쌍을 공유하는 이중 결합, 세 쌍을 공유하는 삼중 결합이 있습니다. 드물게 사중 결합도 있지만 사중 결합은 갑자기 불안정한 상태가 되기 쉽습니다. 일반적으로 공유 결합은 가장 강하고 안정적인 화학 결합입니다. 특히 비금속 원소들 사이에 공유 결합이 일어나는데, 공유 결합은 극성 공유 결합과 비극성 공유 결합으로 나뉜다고 합니다. 비극성 공유 결합에서는 전자가 분자 전체에 균일하게 분포되어 있지만, 극성 공유 결합에서는 전자가 분자의 한쪽 끝에 몰려 있는 경향이 있습니다. 그래서 분자에 음극과 양극이 만들어집니다. 반대 전하를 띤 극은 서로 잡아당기게 되고, 그 결과 얼음이나 물에서처럼 분자들이 구조적으로 서로 달라붙게 됩니다. 

이온 결합에서는 원자가 자신의 전자를 다른 원자에게 기부를 합니다. 전자를 쉽게 잃는 금속과 전자를 쉽게 얻는 비금속 사이에 주로 이온 결합이 일어나는데, 금속 원자가 전자를 읽으면 양의 전하를 띤 양이온으로 바뀝니다. 비금속 원소는 전자를 얻어 음의 전하를 띤 음이온으로 바뀌면서 이온 결합은 양이온과 음이온이 결합되는 것입니다. 보통의 소금인 염화나트륨은 금속인 나트륨과 비금속인 염소가 이온 결함을 통해 결합되는 대표적인 예입니다. 

금속들은 대개 금속 결합을 합니다. 금속은 쉽게 전자를 잃기 때문에 전자의 바다에 떠다니는 양이온이라고 생각할 수 있습니다. 금속을 섞어 합금을 할 때도 금속들은 자유롭게 떠다니는 전자를 공유하고 있기 때문에 금속의 단단한 성질과 유연한 성질을 동시에 갖게 됩니다. 

참고사항 : 엄밀하게 말하면 순수한 이온 결합은 존재하지 않는다고 합니다. 모두 어느 정도의 공유 결합이나 금속 결합도 함께 일어나기 때문입니다. 오중(quinupel) 공유 결합은 일부 크롬 화합물에서 일어납니다. 

물질의 3가지 상태

물질의 세 가지 상태인 고체, 액체, 기체는 해당 물질의 모양과 부피로 정의됩니다. 고체는 유한한 부피와 모양을 갖고 있습니다. 액체는 부피는 정해져 있지만 모양은 그것을 담는 용기에 따라 달라집니다. 기체는 모양도 정해지지 않았고 부피고 분명하지 않지만 가두는 것이 없다면 무한하게 팽창할 수 있다고 합니다. 

물질은 분자로 구성되어 있고, 분자는 원자로 구성되어 있습니다. 물질의 상태를 결정하는 것은 원자와 분자의 성질입니다. 모든 분자는 움직이므로 운동에너지를 갖습니다. 분자들이 더 많이 움직일수록 서로 떨어져 있을 가능성이 큽니다. 그러나 분자는 특히 같은 유형의 분자는 서로에게 끌리는 경향이 있습니다. 운동에너지와 분자 인력 간의 긴장 관계에 의해 물질 상태가 달라집니다. 두 힘의 긴장 관계는 온도와 압력에 좌우되는데, 온도가 올라가면 분자는 더 빨리 움직이고 따라서 운동에너지가 커지게 됩니다. 반면에 압력이 올라가면 분자들이 더 가까이 밀착하게 되고 분자 간 인력이 강해집니다. 

고체 상태에서 분자들은 아주 느리게 움직이고 진동하거나 회전하며, 분자 사이 인력이 매우 강하게 나타납니다. 고체 분자는 엄밀한 결정 구조를 갖거나 유리 같이 무정형 구조로 배열될 수 있습니다. 게다가 온도와 압력에 따라 같은 종류의 분자라도 다른 구조로 배열될 수 있습니다. 예를 들어 고체 탄소는 흑연이 될 수도 다이아몬드가 될 수도 있습니다. 이와 같은 동일 분자의 다른 구조를 상(phase)이라 부릅니다. 

액체 상태에서는 분자가 서로의 틈 속으로 쉽게 미끄러져 들어갈 수 있도록 운동에너지가 충분히 높고 분자 간 인력은 충분히 낮습니다. 대부분의 물질들은 액체일 때 오직 하나의 상을 갖지만 하나 이사의 상을 갖는 물질도 있습니다. 예를 들어 헬륨 액체는 두 가지 상을 갖는데, 기체 상태에서 분자들은 서로 거의 잡아당기지 않고 자유롭게 운동합니다. 만일 분자가 충분한 운동에너지를 얻고 압력이 거의 없는 상태라면 음의 전하를 띤 전자가 원자로부터 분리될 수 있을 것입니다. 이런 상을 플라스마라 하며, 우리가 잘 알고 있는 별이 바로 플라스마 상태의 물질로 이루어져 있다고 합니다. 물의 고체 상태인 얼음은 8개의 서로 다른 상이 있습니다.

액체 헬륨은 정말 이상한 것이 용기에 부으면 바닥에 가라앉았다가, 용기 내벽을 타고 올라가 테두리를 넘어 밖으로 기어 내려간다고 합니다. 매우 낮은 온도에서 분자들은 거의 움직이지 않습니다. 그래서 초유 동체, 초고체, 보스 아인슈타인 응축이라는 이상한 물질 상태가 가능한 것입니다. 

기체 상태에서는 종류와 상관없이 분자 간 상호작용 없이도 무질서하게 운동한다고 합니다. 기체 분자의 크기는 분자의 이동 거리에 비해 상당히 작기 때문에 분자 자체의 부피는 무시할 수 있습니다. 게다가 기체 분자들은 속도 분포를 가지고 있어서 무작위적이고 빠른 직선 운동을 할 수 있다고 합니다. 여기서 기억해야 할 점은 액체 상태 부분에서 예에서 나왔듯이 기체 분자들은 상호작용을 하지 않는다는 것입니다. 기체의 압력은 기체 분자들의 충돌 결과이고, 충돌 시 완전 탄성 충돌을 하기 때문에 충돌로 인한 에너지 손실이 아예 없다고 생각 하면 됩니다. 그러면서 벽면과의 충돌은 끊임없이 지속적으로 일어난다고 합니다.