이온 결합

이온 결합(ion結合, 영어: ionic bonding)은 서로 반대 전하를 띤 이온 사이의 정전기적 인력으로 형성되는 화학 결합이다. 전형적인 이온 결합에서는 전기음성도가 작은 원자가 전자를 잃어 양이온이 되고, 전기음성도가 큰 원자가 전자를 얻어 음이온이 된다. 그러나 실제 화합물에서 전자가 완전히 한 원자에서 다른 원자로 이동하는 순수한 이온 결합은 존재하지 않으며, 대부분의 이온 결합에는 어느 정도의 공유 결합성이 포함된다.^[1]

형성 원리

나트륨과 염소가 반응해 염화 나트륨을 만드는 과정은 이온 결합의 전형적인 예이다. 나트륨 원자는 가장 바깥 전자 하나를 잃어 $\mathrm {Na^{+}}$ 가 되고, 염소 원자는 전자 하나를 얻어 $\mathrm {Cl^{-}}$ 가 된다. 두 이온 사이의 쿨롱 인력이 결정 구조를 안정화한다.

\mathrm {Na\rightarrow Na^{+}+e^{-}}

\mathrm {Cl+e^{-}\rightarrow Cl^{-}}

이온의 전하가 커질수록 정전기적 인력이 강해지는 경향이 있다. 하지만 이온의 크기, 전자 구름의 변형, 결정 구조, 주변 이온의 수와 배열도 결합 에너지에 영향을 준다. 전자 이동만으로 이온 결합을 설명하면 분자와 결정에서 나타나는 공유성·분극 효과를 놓칠 수 있다.

이온 결정의 구조

고체 이온 화합물에서는 두 원자 사이의 고립된 결합보다 양이온과 음이온이 반복적으로 배열된 결정 구조 전체의 인력이 중요하다. 염화 나트륨 구조에서는 각 나트륨 이온과 염화 이온이 여섯 개의 반대 전하 이온에 둘러싸인다. 이온의 반지름 비와 전하, 다형성에 따라 염화 세슘형·형석형·루틸형 등 다양한 구조가 나타난다.

이온 결정의 배위수는 한 이온 주위에서 가장 가까운 반대 전하 이온의 수이다. 이온 반지름이 커지거나 작아지면 같은 화학식의 물질도 다른 결정 구조를 취할 수 있다. 격자 결함, 빈자리, 치환 고용체는 결정의 색·전도도·확산·기계적 성질을 변화시킨다. 다결정 고체에서는 결정립계와 불순물이 이온의 이동과 파괴 거동에 영향을 준다.

이온 결합의 세기

격자 에너지는 기체 이온이 결정으로 모일 때의 엔탈피 변화로 정의하며, 문헌에 따라 결정을 기체 이온으로 분리하는 데 필요한 에너지의 절댓값으로 나타내기도 한다. 격자 에너지는 이온의 전하가 클수록 커지고, 이온 사이의 거리가 짧을수록 커지는 경향이 있다. 실험값은 용해열·생성열과 다른 열화학 자료를 이용한 Born–Haber 순환으로 구할 수 있다.

정전기적 항만 고려하는 Born–Landé 식은 격자의 마델룽 상수, 이온 전하, 이온 사이 거리, 반발 항을 사용한다. 실제 결정에서는 전자 구름의 겹침, 분극, 영점 진동, 결함과 온도 효과가 추가되므로 단순한 쿨롱 법칙만으로 격자 에너지를 정확히 예측할 수 없다. 이온 결합의 세기는 물질의 녹는점·끓는점·경도·용해도와 관련되지만, 한 물성만으로 결합을 판단할 수는 없다.^[2]

분극과 공유성

양이온의 전기장이 음이온의 전자 구름을 변형시키는 현상을 분극이라고 한다. 작고 전하가 큰 양이온과 크고 쉽게 변형되는 음이온의 조합에서는 전자 밀도가 두 이온 사이로 이동해 공유 결합성이 커질 수 있다. 이를 설명하는 경험적 기준을 파얀스의 규칙이라고 한다. 염화 알루미늄과 같은 물질은 고체·액체·기체 상태에서 구조가 달라지며, 기체에서는 이합체와 공유성 결합이 나타날 수 있다.

전기음성도 차이가 크면 결합의 이온성이 커지는 경향이 있지만, 이온성과 공유성은 서로 배타적인 두 종류가 아니다. 결합의 전자 밀도와 분자 궤도함수를 계산하면 각 결합의 극성과 공유성 정도를 연속적인 값으로 기술할 수 있다. 따라서 특정 결합을 이온 결합 또는 공유 결합이라고 부르는 것은 분류 목적의 근사이다.

물리적 성질

이온 결정은 격자 전체의 강한 인력 때문에 일반적으로 녹는점과 경도가 높다. 고체 상태에서는 이온이 격자점에 묶여 있어 전기 전도도가 낮지만, 녹거나 물에 녹아 이온이 움직일 수 있게 되면 전류를 운반한다. 전도도는 이온의 농도·이동도·용매화·온도에 의존한다.

이온 화합물의 용해도는 격자를 분리하는 데 필요한 에너지와 이온이 용매화될 때 얻는 에너지의 경쟁으로 정해진다. 물처럼 극성이 큰 용매는 이온 주위에 용매화 껍질을 형성해 용해를 돕지만, 격자 에너지가 매우 크거나 용매화가 약하면 잘 녹지 않는다. 용해도가 낮은 염은 수용액에서 침전 반응을 일으킬 수 있다.

이온 결정은 층이 미끄러지면 같은 전하의 이온이 마주 보게 되어 깨지기 쉬운 취성 재료인 경우가 많다. 그러나 결함과 고온에서의 이온 확산을 이용한 고체 전해질, 세라믹, 이온 전도체에서는 이러한 성질이 기능으로 활용된다.

고체·용융염·용액에서의 이온

고체 이온 결정의 이온은 평균 위치 주변에서 진동하지만, 온도가 충분히 높거나 결함이 많으면 격자를 따라 이동할 수 있다. 용융염에서는 양이온과 음이온이 자유롭게 이동해 전류를 운반하며, 전기분해로 금속과 비금속을 얻을 수 있다. 수용액에서는 이온이 물 분자에 둘러싸여 이동하고, 이온 강도와 용매화가 반응 평형과 속도에 영향을 준다.

고체 전해질은 결정 구조의 빈자리·채널·무질서한 배열을 이용해 한 종류의 이온을 빠르게 이동시킨다. 리튬 이온 전지에서는 양극·전해질·음극 사이의 이온 이동과 전자 이동이 분리되어 충전과 방전이 일어난다. 이온 결합이 강하다는 사실만으로 고체 전해질의 전도도를 예측할 수 없으며, 결함 농도와 이동 장벽을 함께 고려해야 한다.

공유 결합과의 비교

공유 결합에서는 두 원자가 전자쌍을 공유해 국소적인 결합을 형성하는 반면, 이온 결정에서는 여러 이온 사이의 장거리 정전기력이 구조를 안정화한다. 분자성 공유 결합 물질은 특정 분자로 존재할 수 있지만, 염화 나트륨과 같은 이온 결정은 고체에서 독립된 NaCl 분자들의 집합이라기보다 반복 격자로 설명한다.

두 결합 유형은 연속선상에 있으며, 극성 공유 결합·부분 이온 결합·배위 결합처럼 중간적인 사례가 많다. 물질의 구조를 설명할 때는 루이스 구조, 분자 궤도함수, 격자 모형, 분광학과 결정학 자료를 목적에 맞게 사용해야 한다.

같이 보기

참고 문헌

↑ 〈Ionic bond〉. 《IUPAC Compendium of Chemical Terminology》. 2009. doi:10.1351/goldbook.IT07058.
↑ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2014). 《Physical Chemistry》 10판. Oxford University Press.

Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2018). 《Inorganic Chemistry》 5판. Pearson.
Askeland, Donald R.; Wright, Wendelin J. (2015). 《The Science and Engineering of Materials》 7판. Cengage Learning.
Atkins, Peter; de Paula, Julio (2014). 《Physical Chemistry》 10판. Oxford University Press.

[1] 〈Ionic bond〉. 《IUPAC Compendium of Chemical Terminology》. 2009. doi:10.1351/goldbook.IT07058.

[2] Atkins, Peter; de Paula, Julio (2014). 《Physical Chemistry》 10판. Oxford University Press.

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