수소 결합

수소 결합

화학에서 수소 결합(水素結合)은 N(질소), O(산소), F(플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다. 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고, 융해열과 기화열이 크다.

수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력으로, 화학결합과는 다르며 다른 종류의 '분자간 인력' 보다 훨씬 강해 수소'결합' 이라고 부를 뿐이다. 하지만 원자간 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다.

수소 결합을 하는 물질은 물에 잘 녹는다. 물과 수소 결합을 하여 용매와 용질 사이의 인력이 강해지기 때문이다.

수소 결합이 나타나는 예

• 물(H₂O)
• 플루오린화 수소(HF)
• 암모니아(NH₃)
• 에탄올(C₂H₅OH)
• 메탄올(CH₃OH)
• 아세트산(CH₃COOH)
  • (-OH, -COOH, -NH₂)와 결합하는 경우

포도당, 설탕, 녹말, 단백질 등 많은 물질에서 수소 결합이 나타난다.

표기

화학에서 수소 결합을 표기할 때에는, …를 사용한다. 즉, X-H…Y 꼴로 표기한다.

예1) H-O-H…O-2H (물의 수소 결합)

예2) H-F…H-F (플루오린화 수소의 수소 결합)

확인하는 방법

수소 결합을 X-H…Y(基)에 비(比)한다면, 이 중 X-H기의 신축 진동의 변화를 적외선 흡수 스펙트럼에 의해 확인할 수가 있다.

물($H_2O$)의 수소 결합

물에서의 수소 결합은 H-O-H…O-2H 형태로 나타난다.

물 분자에서 2개의 수소 원자가 부분적으로 (+)전하를 띠고, 산소 원자가 (-)전하를 띠어서 굽은형 구조를 나타낸다. 이때 물은 극성을 띠게 되는데, 이런 극성 때문에 (+)전하를 띠는 수소 원자와 (-)전하를 띠는 산소 원자 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨서 결합이 형성된다.

이 때 물 분자 사이에 생긴 수소 결합의 결합력(인력)은 다른 분자들의 결합력에 비해 상대적으로 강하다. 따라서 물 분자 사이에 생긴 수소 결합의 강한 인력을 끊기 위해서 많은 에너지가 필요하다. 따라서 같은 양의 에너지를 가할 때 다른 물질에 비해 온도가 쉽게 올라가지 않는다. 결과적으로 끓는점과 어는점이 높아진다.

또한 수소 결합으로 인해 물에 많은 양의 열을 담을 수 있기 때문에, 비열과 열용량도 커진다. 이 현상이 지구 생태계를 유지시키며, 바닷가에서 해풍과 육풍을 발생시키는 역할을 한다. 바다는 육지보다 비열이 커서 쉽게 가열되거나 냉각되지 않는다. 따라서 낮에는 육지 쪽이 빨리 가열되므로 공기가 상승한다. 그 자리를 메우기 위해서 바다에서 육지 쪽으로 공기가 이동하므로 해풍이 분다. 밤에는 육지 쪽이 빨리 냉각되므로 상대적으로 온도가 높은 바다 쪽의 공기가 상승한다. 그 자리를 메우기 위해서 육지에서 바다 쪽으로 공기가 이동하므로 육풍이 분다.

물은 수소 결합을 하기 때문에, 순수한 물은 섭씨 0도에서 얼어버린다. 이때 물의 수소 결합으로 인해 얼음은 빈 공간이 많은 육각고리 모양의 결정을 형성하게 된다. 이때문에 얼음이 되면 부피는 증가하고 밀도는 감소한다. (일반적으로는 다른 물질들은 액체 상태 물질의 밀도보다 고체 상태의 물질의 밀도가 훨씬 크다) 이런 현상 때문에 영하의 기후에서 호수의 물고기들이 살아갈 수 있게 되었다.

이 뿐만 아니라, 수소 결합에 의해 분자 간의 강한 인력 때문에, 물의 표면 장력도 크다.

이합체

이 부분의 본문은 이합체입니다.

플루오린화 수소(HF)와 아세트산(CH₃COOH)은 두 분자가 수소 결합을 이루어 한 분자처럼 행동하기도 하는데, 이것을 이합체라고 한다.