[간단히 알아보는 화학 결합 (chemical bonding)] 2편. 수소결합 – 얼음이 물 위에 뜨는 이유, 물의 끓는점이 높은 이유

오늘은 수소 결합에 대해서 알아보고자 합니다.

수소 결합은 늘 우리와 함께 하죠. 매일 우리와 함께 하는 물도 수소 결합을 하고, 우리의 DNA도 수소 결합을 하고 있고, 그래서 나선형 구조를 이루기도 합니다.

 

수소 결합 (Hydrogen Bond)

수소 결합은, 이름처럼 수소가 결합에 관여합니다. 그렇다고 수소가 분자 내에 있다고 다 수소결합을 하는 건 아니고, 수소가 전기음성도가 큰 F, O, N 등과 공유결합을 할 때, 분자와 분자 간에 수소 결합이 발생합니다. (전기 음성도 : F > O > N >>H )

조금 더 자세히 봅시다.

수소와 전기 음성도가 큰 원자가 공유 결합을 하면, 전기음성도가 큰 원자들은 공유 전자쌍을 더 자기 쪽으로 가져가려고 합니다. 그렇게 되면, 상대적으로 전기음성도가 큰 원자 쪽은 부분적으로 음전하가 되고, 수소가 있는 쪽은 부분적으로 양전하가 됩니다. 즉, 전기 음성도 차이로 인해서 분자가 극성을 띄게 됩니다. 이렇게 부분적으로 양전하를 띄는 수소는 인접한 분자의 전기 음성도가 큰 원자와 상호작용을 할 수 있는데, 이것이 바로 수소결합입니다.

 

대표적인 수소 결합 물질인 물

물을 생각해보면 이해가 더 쉬울 수 있습니다.

물은 두 개의 수소와 한 개의 산소로 이루어져있는데요, 산소가 상대적으로 전기 음성도가 크기 때문에 전자쌍을 더 잘 끌어드릴 수 있고, 결과적으로 부분 음전하를, 수소들은 전자쌍을 빼앗겨 부분적으로 양전하를 띄게 됩니다.

그렇기 때문에, 만약 두 개의 물 분자가 서로 가까이 있다면, 한 분자의 산소와 다른 분자의 수소 사이에서 수소결합이 일어납니다.

 

이러한 수소결합 덕분에 물은 특이한 성질을 가지고 있습니다.

1)    액체보다 고체가 밀도가 더 작다.

대부분의 물질들은 고체일 경우 밀도가 더 큽니다. 하지만 물의 경우는 달라요.

 한 개의 물 분자는 총 4개의 물 분자와 수소결합을 이룰 수 있어요. (물 분자의 산소는 두 개의 비공유 전자쌍을 가지고 있고, 이게 다른 물 분자 두 개랑 수소 결합 가능 + 물 분자 하나에는 두 개의 수소가 있는데 각각 한 개, 총 두 개의 물 분자와 수소결합 가능)

액체 상태일 경우에는 물 분자가 계속 움직이니 수소결합이 끊어졌다가 생성되었다가 끊임없이 반복합니다. 그래서 평균적으로 액체 상태의 물은 3.6개의 수소결합을 한다고 해요.

하지만 물이 얼음으로 변하는 온도인 0도에서는, 액체 상태의 물이 고체 상태의 얼음이 되는데요, 얼음 상태의 물 분자 하나는 수소결합을 4개까지 형성이 됩니다. 그러면 물 분자들이 규칙적인 정육각형을 형성하면서 고체가 되는데요, 이 정육각형에 빈 틈이 많이 생기게 됩니다. 그래서 물일 때 보다 얼음일 때 단위 부피당 물 분자의 수가 줄어들게 됩니다.

이러한 이유로 얼음은 물 위에 뜰 수 있어요. 이 현상은 실생활에서 직접 경험할 수 있는데요, 페트병에 물을 가득 채우고 냉동고 안에 넣어두면 페트병이 팽창된 것을 관찰할 수 있어요. (이미 터졌을 수도…)

그러면 우리는 앞으로 이렇게 생각할 수 있습니다.

‘아 맞다, 물은 수소 결합을 하지!’

2)    물의 끓는점이 높은 이유

우리 몸은 대부분 물로 이루어져 있습니다. 그런데, 여름철 기온이 상승했다고 우리 몸의 물이 증발하면 큰일나겠죠?

다행스럽게도 우리 몸의 대부분을 차지하고 있는 물은 비슷한 분자량의 다른 물질들에 비해 끓는점이 높습니다. 그 이유는 바로 앞에서 설명한 물 분자 사이에 수소결합 때문입니다.

끓는다는 것은 액체 상태의 물이 기체 상태의 수증기가 되는 것인데요, 끓는점이 높다는 것은 그만큼 액체 상태에서 기체 상태로 만드는데 더 높은 온도가 필요하다는 것입니다.