원자, 이온 및 화학결합 (2)
화학결합, 분자, 이온화합물
분자는 2개 또는 그 이상의 원자 사이에 있는 원자가 전자의 상호작용에 의해 형성됩니다. 이처럼 전자를 공유하는 결합을 화학결합(chemical bond)이라고 합니다. 각 원자가 가질 수 있는 결합 수는 가장 바깥쪽 궤도를 채우는 데 필요한 전자 수에 의해 결정됩니다.
예를 들어 수소는 첫 껍질의 2개의 전자만을 채우고 단 하나의 화학결합을 형성합니다. 반대로 메탄의 탄소는 4개의 전자를 더 가져야 하고 따라서 두 번째 껍질의 8개의 전자를 채우고 4개의 화학결합을 합니다.
공유결합
산소(O2)와 수소(H2)에서처럼 동일한 원자 사이에 형성되는 공유결합(covalent bond)은 전자들이 동등하게 공유되기 때문에 가장 강합니다. 두 원자 사이에 전자가 동등하게 분포하기 때문에 이러한 분자는 비극성(nonpolar)이고 그 결합은 비극성 공유결합(nonpolar covaralent bond)입니다. 공유결합은 생물계에서 매우 중요하게 작용합니다.
공유결합이 2개의 다른 원자 사이에 형성될 때 전자가 다른 원자보다 한 원자에 더 많이 끌려갈 수 있는데, 이때 전자가 더 많이 끌려간 분자의 끝은 다른 쪽 끝에 비해 전기적으로 더 음성(-)입니다. 이러한 분자를 극성(polar)이 있다고 하며, 특히 산소, 질소, 인 같은 원자들은 전자들을 자기 쪽으로 끄는 힘이 세기 때문에 극성 공유결합을 합니다.
물은 몸에 가장 풍부하고 체액의 중요한 용매로 쓰이며, 물은 극성이기 때문에 좋은 용매이고, 산소 원자는 두 수소 원자의 전자들을 자기 쪽으로 끌어당겨 수소 분자보다 상대적으로 더 음전하를 띱니다.
이온결합
이온결합(ionic bond)은 1개 또는 그 이상의 원자의 전자들이 두 번째 원자에 완전히 전이될 때 형성됩니다. 따라서 전자는 전혀 공유되지 않으며, 양전하 또는 음전하를 띤 원자나 분자를 이온(ion)이라고 합니다.
전장(electric field)에서 음극으로 움직이는 이온을 양이온(cation)이라고 하고, 반대로 양극으로 움직이는 이온을 음이온(anion)이라고 합니다. 양이온과 음이온은 서로 잡아당겨 이온화합물(ionic compound)을 형성하게 됩니다.
소금(NaCl)은 대표적인 이온화합물로 Na는 첫 궤도에 2개, 두 번째 궤도에 8개, 세 번째 궤도에 1개를 포함해 모두 11개 전자를 갖고 있습니다. Cl은 세 번째 궤도에 7개의 전자를 갖고 있는데, 1개의 전자를 얻으면 8개의 전자를 이룰 수 있습니다. Na의 세 번째 궤도의 전자 1개가 Cl의 세 번째 궤도에 끌려 Cl은 Cl-가 되고 Na는 Na+가 됩니다.
이온결합은 극성공유결합보다 더 약해 물에 용해될 때 쉽게 이온화되는데, 예를 들어 NaCl은 Na+와 C-로 분리됩니다. 물 분자의 음전하 부위는 Na+에 끌리고 양전하 부위는 CI-에 끌리게 됩니다. Na+와 Cl- 이온을 둘러싸고 있는 물 분자들이 서로 잡아당겨 각 이온 주위에 수화구(hydration sphere)를 형성합니다.
수화구 형성은 이온이나 분자를 물에 잘 용해되도록 만든다. 포도당과 아미노산, 많은 다른 유기 분자들은 수화구가 상기한 분자들을 구성하는 산소와 질소, 인 원자 주위에 형성되기 때문에 물에 잘 녹습니다. 이러한 분자를 친수성(hydrophilic) 분자라고 하며, 이와는 반대로 지방의 탄화수소 사슬처럼 비극성 공유결합으로 구성된 분자는 수화구를 형성할 수 없기 때문에 물에 녹지 않으며, 이러한 비극성분자를 소수성(hydrophobic) 분자라고 합니다.
수소결합
수소 원자가 산소나 질소와 극성 공유결합을 형성할 때 수소는 약간의 양전하를 띠고 다른 원자는 약간의 음전하를 띠는데 이를 전기음성도(electro negativity)라고 합니다. 수소는 약한 양전하를 띠기 때문에 산소와 질소에 대해 약한 인력을 나타내는데, 이러한 인력을 수소결합(hydrogen bond)이라고 합니다.
각각의 수소결합은 비교적 약하지만 수소결합의 인력을 모두 합하면 단백질이나 DNA의 2차 구조를 형성할 수 있으며, 물 분자 사이의 수소결합은 표면장력과 모세관작용에 유용하게 쓰입니다.