뿌리학습 · 고등 과학탐구
화학 결합과 물질의 성질
원소들이 서로 결합하는 이유는 하나다. 가장 바깥 전자 껍질을 채워 안정해지기 위해서다. 전자를 주거나 받거나 나눠 쓰는 것은 모두 그 목적을 이루는 수단이다. 이 순서를 뒤집어 기억하면 어떤 원소가 왜 그런 방식으로 결합하는지 설명할 수 없게 된다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
15일 무료 · 끝나도 자동 결제 없음 · 이후 월 결제 9,800원부터
개념 정리
기준이 되는 것은 18족 원소들이다. 이들은 바깥 껍질이 이미 가득 차 있어 더 채울 필요가 없고, 그래서 다른 원소와 거의 결합하지 않는다. 다른 원소들은 이 상태를 만들려고 애쓴다. 바깥 껍질에 전자 8개가 채워진 상태를 목표로 하는 것을 옥텟 규칙이라 한다. 다만 껍질이 하나만 남는 원소들은 2개가 채워진 상태가 안정하며, 이를 듀엣 규칙이라 한다. 모든 원소가 8개를 향한다고 외우면 이 경우에서 어긋난다.
목표는 같아도 방법은 원자가 전자 수에 따라 갈린다. 바깥 껍질에 전자가 몇 개 없는 원소라면 그것을 떼어내는 편이 빠르다. 전자를 다 잃으면 그 껍질이 사라지고, 그 안쪽 껍질은 이미 채워져 있기 때문이다. 반대로 바깥 껍질이 거의 찬 원소라면 몇 개를 더 얻어 채우는 편이 빠르다. 주기율표에서 왼쪽 원소들이 양이온이 되고 오른쪽 원소들이 음이온이 되는 이유가 이것이다.
여기서 자주 놓치는 점이 있다. 양이온이 되면 껍질 하나가 통째로 사라지므로 원자였을 때보다 껍질 수가 줄어든다. 음이온은 있던 껍질을 채우는 것이므로 껍질 수가 그대로다. 같은 이온이라도 변화의 방향이 다르다.
전자를 버리려는 원소와 채우려는 원소가 만나면 필요가 맞아떨어진다. 금속 원소가 비금속 원소에게 전자를 주고, 그 결과 한쪽은 양이온, 다른 쪽은 음이온이 된다. 서로 반대 전하를 띠게 되었으니 끌어당기는 힘이 생기고, 이 힘으로 붙어 있는 것이 이온 결합이다. 이렇게 만들어진 물질을 이온 화합물이라 한다.
그런데 비금속끼리 만나면 사정이 다르다. 양쪽 모두 전자를 얻고 싶어 하므로 누구도 내주지 않는다. 그래서 각자 전자를 내놓아 함께 쓰는 방식을 택한다. 공유된 한 쌍의 전자를 공유 전자쌍이라 하고, 이런 결합을 공유 결합이라 한다. 이때 두 원자 모두 그 전자를 자기 것으로 세므로 양쪽 다 바깥 껍질이 찬 것과 같은 상태가 된다. 두 원자가 한 쌍을 공유하면 단일 결합, 두 쌍을 공유하면 이중 결합, 세 쌍을 공유하면 삼중 결합이라 한다. 몇 쌍을 공유하게 되는지는 각 원자가 전자를 몇 개 더 채워야 하는지에 따라 정해진다. 특별한 형태가 아니라 필요한 만큼 공유한 결과다.
두 결합으로 만들어진 물질은 성질이 다르다. 이온 화합물은 대체로 물에 잘 녹는다. 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉘어 퍼지기 때문이다. 그래서 고체 상태에서는 전기가 통하지 않지만 물에 녹이면 통한다. 여기서 이유를 정확히 해둘 필요가 있다. 고체에도 이온은 있다. 다만 제자리에 고정되어 움직이지 못할 뿐이다. 물에 녹아 자유롭게 움직이게 되면 전기가 통한다.
이온 화합물은 녹는점과 끓는점도 높아 대개 고체로 존재하고, 힘을 가하면 쉽게 부서진다. 규칙적으로 늘어선 이온들이 밀려 같은 전하끼리 마주하면 서로 밀어내기 때문이다.
공유 결합으로 만들어진 물질, 즉 분자로 이루어진 물질은 대체로 물에 잘 녹지 않고 전기도 통하지 않는다. 다만 일부 분자는 물에 녹아 이온화되므로 전기가 통한다. 표에 정리된 성질을 예외 없는 규칙으로 외우면 이런 문항에서 틀린다.
마지막으로 가장 헷갈리는 지점을 짚어둔다. 공유 결합 물질은 녹는점이 낮은데, 이것을 결합이 약하다는 뜻으로 읽으면 안 된다. 분자로 이루어진 물질이 녹거나 끓을 때 끊어지는 것은 분자와 분자 사이의 인력이지 분자 안의 공유 결합이 아니다. 반면 이온 화합물이 녹을 때는 이온들을 붙잡고 있는 정전기적 인력을 직접 끊어야 한다. 이 인력이 분자 사이의 인력보다 강하기 때문에 이온 화합물의 녹는점이 더 높은 것이다. 무엇이 끊어지는 이야기인지 구분하면 모순이 사라진다.
여기까지가 원자와 원자가 결합하는 이야기다. 그런데 우리 주변의 물질은 원자 두세 개가 붙은 것으로 설명되지 않는다. 암석도, 우리 몸을 이루는 물질도 훨씬 크고 복잡하다. 이런 물질은 어떻게 만들어질까.
핵심은 반복이다. 결합으로 만들어진 작은 단위가 되풀이해서 이어지며 큰 물질을 이룬다. 이 작은 단위를 단위체라고 한다. 세 가지 사례로 보자.
먼저 지각을 이루는 물질이다. 지각에 가장 많은 원소는 산소와 규소인데, 규소 하나를 산소 넷이 둘러싸 사면체 모양을 이룬다. 이것이 규산염 사면체이며 규산염 광물의 단위체다. 여기서 놓치기 쉬운 점이 있다. 사면체 하나가 곧 광물인 것이 아니다. 이 사면체들이 따로 떨어져 있기도 하고, 사슬처럼 이어지기도 하고, 판이나 그물 모양으로 연결되기도 한다. 사면체가 서로 어떻게 연결되는지와 함께 어떤 원소가 들어가는지가 달라지면서 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모, 석영 같은 서로 다른 규산염 광물이 만들어진다.
다음은 생명체를 이루는 물질이다. 단백질은 아미노산이 이어져 만들어진다. 그런데 단백질을 이루는 아미노산은 스무 가지 정도에 지나지 않는다. 그 스무 가지를 어떤 순서로 몇 개나 이어 붙이는지에 따라 헤아릴 수 없이 많은 단백질이 만들어진다. 이어진 순서가 달라지면 입체 구조가 달라지고, 구조가 달라지면 하는 일도 달라진다.
핵산도 같은 구조다. 핵산의 단위체는 뉴클레오타이드이고, 이것이 길게 이어져 DNA와 RNA를 이룬다. 여기에 담긴 순서가 곧 유전 정보다. 단백질과 핵산은 둘 다 생명체를 이루는 큰 물질이지만 단위체가 다르다는 점을 구분해 두자.
세 사례를 함께 보면 공통점이 드러난다. 자연에 흔한 원소는 몇 가지뿐이고, 단위체의 종류도 많지 않다. 그런데 그 단위체가 어떤 순서로 어떻게 이어지는지에 따라 전혀 다른 물질이 만들어진다. 물질의 다양함은 원소의 종류만이 아니라 단위체가 결합하고 배열되는 방식이 달라지면서 더욱 커진다.
이제 다른 각도에서 물질을 나누어 보자. 전기가 얼마나 잘 통하는가를 기준으로 삼는 방법이다.
전기가 잘 통하는 물질을 도체라고 한다. 금속이 대표적인데, 금속 안에는 특정 원자에 매이지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 있어 전하를 쉽게 나른다. 반대로 전기가 거의 통하지 않는 물질을 부도체 또는 절연체라고 한다. 유리나 고무처럼 전자가 원자에 단단히 묶여 있어 움직이기 어려운 물질이다.
그 사이에 반도체가 있다. 여기서 이름 때문에 생기는 오해를 짚어야 한다. 반도체가 중요한 이유는 전기가 중간 정도로 통해서가 아니다. 온도나 빛, 다른 원소의 첨가 같은 조건에 따라 전기가 통하는 정도를 크게 조절할 수 있다는 점이 핵심이다.
순수한 반도체에 다른 원소를 아주 조금 섞으면 전하를 나를 수 있는 입자가 생겨 전기가 통하게 된다. 무엇을 섞느냐에 따라 성질이 달라진다. 성질이 다른 두 반도체를 맞붙이면 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드를 만들 수 있고, 여기에 구조를 더하면 신호를 켜고 끄거나 크게 만드는 트랜지스터가 된다. 온도나 빛에 따라 전기가 통하는 정도가 달라지는 성질도 활용된다.
이 성질 덕분에 반도체는 오늘날 전자기기의 바탕이 되었다. 신호를 처리하는 회로, 빛을 내는 소자, 빛을 받아 전기를 만드는 태양 전지가 모두 반도체의 전기적 성질을 응용한 것이다. 물질이 어떤 결합으로 이루어졌고 전자가 어떤 상태에 있는지를 아는 일이, 새로운 소재를 만들고 기술을 발전시키는 바탕이 되는 셈이다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [10통과1-02-04]인류의 생존에 필수적인 물, 산소, 소금 등이 만들어지는 결합의 차이를 이해하고 각 물질의 성질과 관련지어 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
결합이 일어나는 이유
- 결합의 목적을 전자를 주고받는 것 자체로 이해한다. 과정이 눈에 띄기 때문이다. 목표는 가장 바깥 껍질을 채워 안정해지는 것이고, 주고받거나 공유하는 것은 그 수단이다. 인과가 뒤집히면 왜 그 원소가 그 방식으로 결합하는지 설명할 수 없다.
- 모든 원소가 전자 8개를 채우려 한다고 일반화한다. 옥텟 규칙을 먼저 배우기 때문이다. 껍질이 하나만 남는 원소는 2개가 채워진 상태가 안정하다.
- 18족이 결합하지 않는 이유를 성질이 특이해서라고 넘긴다. 이미 바깥 껍질이 다 차 있어 더 채울 필요가 없기 때문이다. 이 설명이 서면 다른 원소들이 왜 결합하는지도 함께 설명된다.
이온 결합
- 양이온이 되어도 전자 껍질 수가 그대로라고 본다. 전자만 빠져나간다고 생각하기 때문이다. 바깥 껍질의 전자를 모두 잃으면 그 껍질 자체가 사라져 껍질 수가 하나 줄어든다. 반면 음이온은 전자를 채우는 것이므로 껍질 수가 유지된다.
- 금속과 비금속이 결합하는 이유를 성질이 반대라서라고만 안다. 한쪽은 전자를 버리려 하고 다른 쪽은 채우려 하기 때문에 서로의 필요가 맞아떨어지는 것이다.
공유 결합
- 분자로 이루어진 물질의 녹는점이 낮은 것을 공유 결합이 약하기 때문이라고 본다. 녹는점을 곧바로 결합 세기로 읽기 때문이다. 이때 끊어지는 것은 분자 안의 공유 결합이 아니라 분자와 분자 사이의 인력이다. 무엇이 끊어지는지를 구분하지 않으면 두 물질의 성질을 비교하는 문항에서 반복해서 틀린다.
- 이중 결합과 삼중 결합을 예외적인 형태로 본다. 단일 결합을 기본으로 배우기 때문이다. 공유하는 전자쌍이 두 쌍이면 이중, 세 쌍이면 삼중일 뿐이며, 몇 쌍을 공유할지는 각 원자가 채워야 할 전자 수에 따라 정해진다.
물질의 성질 비교
- 공유 결합 물질은 모두 물에 녹지 않고 전기가 통하지 않는다고 일반화한다. 표에 그렇게 정리되기 때문이다. 일부 분자는 물에 녹아 이온화되어 전기가 통한다.
- 이온 화합물이 고체에서 전기가 통하지 않는 이유를 이온이 없어서라고 본다. 이온은 있지만 자리에 고정되어 움직이지 못하기 때문이다. 물에 녹으면 이온이 자유롭게 움직여 전기가 통한다.
기본 단위체의 결합
- 물질의 다양함이 원소 종류의 다양함에서 온다고 본다. 종류가 많아야 다양해진다고 생각하기 때문이다. 자연에 흔한 원소는 몇 가지에 지나지 않는다. 그 원소들이 결합해 만든 작은 단위가 반복되고 배열이 달라지면서 수많은 물질이 만들어진다. 원소의 종류만이 아니라 단위체가 결합하고 배열되는 방식이 다양함을 크게 키운다.
- 규산염 사면체 하나가 곧 하나의 광물이라고 본다. 사면체 그림이 광물의 대표 이미지로 제시되기 때문이다. 사면체는 단위일 뿐이고, 이 사면체들이 어떤 방식으로 이어지는지에 따라 서로 다른 규산염 광물이 만들어진다.
- 단백질이 다양한 이유를 아미노산의 종류가 많기 때문이라고 본다. 다양함의 원인을 재료에서 찾기 때문이다. 단백질을 이루는 아미노산은 스무 가지 정도다. 그 스무 가지를 어떤 순서로 몇 개나 이어 붙이는지에 따라 수많은 단백질이 만들어진다.
- 단백질과 핵산이 같은 단위체로 이루어진다고 본다. 둘 다 생명체를 이루는 큰 물질이기 때문이다. 단백질의 단위체는 아미노산이고 핵산의 단위체는 뉴클레오타이드다. 단위체가 다르면 만들어지는 물질의 성질과 역할도 다르다.
물질의 전기적 성질
- 반도체를 전기가 중간 정도로 통하는 물질로만 본다. 이름이 절반이라는 뜻으로 읽히기 때문이다. 중요한 것은 통하는 정도가 중간이라는 점이 아니라, 온도나 빛, 다른 원소의 첨가 같은 조건에 따라 전기가 통하는 정도를 크게 조절할 수 있다는 점이다. 그래서 신호를 켜고 끄는 스위치 역할을 할 수 있다.
- 물질의 전기적 성질이 처음부터 정해져 바뀌지 않는다고 본다. 도체와 부도체로 나누어 외우기 때문이다. 다른 원소를 아주 조금 섞거나 온도와 빛의 조건을 바꾸면 전기가 통하는 정도가 달라진다. 반도체를 쓸모 있게 만드는 것이 바로 이 성질이다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
원자가 화학 결합을 하는 목적은 전자를 주고받거나 공유하는 것 자체이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
결합이 일어날 때 전자가 이동하거나 공유되는 장면이 눈에 잘 들어오기 때문에, 그 과정 자체를 결합의 목적으로 받아들이기 쉬워요. 실제로는 가장 바깥 껍질을 채워 안정해지는 것이 목표이고, 전자를 주고받거나 공유하는 것은 그 목표를 이루기 위한 수단이에요. 이 순서를 뒤집어 이해하면, 왜 어떤 원소는 전자를 주고받는 방식을 택하고 어떤 원소는 공유하는 방식을 택하는지 설명하기 어려워져요.
수소(H)와 헬륨(He)처럼 전자 껍질이 하나뿐인 원소는 전자 2개를 채운 상태가 안정하다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
옥텟 규칙을 먼저 배우다 보면 '모든 원소가 전자 8개를 채우려 한다'고 일반화하기 쉬워요. 실제로는 전자 껍질이 하나뿐인 원소는 첫 번째 껍질에 최대 2개의 전자만 채울 수 있기 때문에, 전자 2개가 채워진 상태가 안정한 상태예요. 옥텟 규칙은 모든 원소에 적용되는 규칙이 아니라, 두 번째 껍질 이상을 가지는 원소들에 해당하는 경향이에요.
18족 원소가 다른 원소들과 결합하지 않는 이유는 그 원소들만의 특이한 성질 때문이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
18족 원소의 안정성이 단순히 '특별한 성질'이라고 외우면 편하게 느껴지기 쉬워요. 하지만 실제로는 바깥 껍질에 전자가 이미 꽉 차 있어서 다른 원소와 전자를 주고받거나 공유할 필요가 없는 것이에요. 이 원리를 이해하면 반대로 다른 원소들이 왜 결합하려 하는지, 즉 바깥 껍질을 채우기 위해 결합한다는 것도 자연스럽게 설명돼요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반