지난 시간에는 원소와 원자, 그리고 원자의 구성물질인 양성자 중성자 전자의 특징에 대해서 알아보았다. 이번 포스트에서는 어떻게 원자가 결합하여 분자나 이온 형태가 되는지 알아보고, 이 결합이 꺠질 수 있는지에 대해서도 알아볼 것이다.
H2 원자의 결합
원자는 이전의 포스트에서 설명했던 것처럼 전자 껍질을 가지고 있는데, 껍질에 전자가 모두 채워지지 않은 원자는 껍질을 채우기 위하여 다른 원자와 전자를 공유하거나 전달함으로써 완전한 껍질의 형태를 갖고자 하는 특징이 있다. 이런 상화작용을 화학 결합이라고 하며, 서로를 끌어당기는 인력이 존재한다. 강한 결합의 종류에는 공유결합과 이온 결합, 금속결합이 있고, 약한 결합에는 수소결합과 반데르발스 힘이 있다.
공유결합
공유결합(Covalent Bonds)은 말 그대로 전자를 공유하는 결합을 뜻한다. 대표적인 예시로는 수소, 산소, 질소, 물 등, 비금속+비금속 원소들이 결합한 분자들이 있다.
이처럼 한 쌍의 전자를 공유해서 결합할 수도 있지만, 우리가 마시는 산소는 O2로, 산소 원자 2개가 결합한 것인데, 원자가 전자 6개 중 2개를 서로 공유함으로 8개를 만드는 이중 결합을 할 수도 있다. 마찬가지로 원자가 전자가 5개인 질소는 3개의 전자를 공유해 N2 분자가 될 때 삼중 결합을 한다.
물 분자의 모양을 보고 귀가 좀 박힌 미키마우스같다고 생각한 적이 다들 있을 것이다 (아님말구요..). 산소원자가 수원자 2개와 각각 1개의 전자를 공유하기 때문에 이런 형태를 띠게 된다. 물 원자의 바깥쪽 껍질의 전자(원자가 전자, valence electorn)는 6개이고 수소원자는 1개이므로, 수소원자 2개와 전자를 공유함으로써 산소는 8개의 전자를 갖게 되고, 수소도 2개의 전자를 갖게 된다.
근데 왜 가로로 쭈르륵 수소-산소-수소 형태로 배열되어 있지 않을까? 왜냐하면 산소 원자가 4개의 전자를 더 갖고 있기 때문 떄문에 정사면체 형태를 만들기 때문인데, 이중 꼭지점을 수소 원자가 자리하고 있기 때문에, 원자 모형으로 보면 삼각형 모양으로 보이는 것이다.
각각의 원자들은 각자 다른 전기 음성도(Electronegativity) 를 가지고 있다. 전기 음성도란 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력의 척도이다. 보통 이것은 원자가전자와 원자핵간의 거리, 양성자의 수(원자번호)에 의해서 결정된다.
산소의 전기 음성도가 높기 때문에 산소가 수소보다 전자를 더 잘 끌어당긴다. 따라서 전자들은 수소 원자핵보다 산소의 원자핵 쪽에 더 가깝기 위치하고 있을 가능성이 높다. 이렇게 될 경우, 산소는 (-) 전하를, 수소는 상대적으로 (+) 전하를 갖게 되는데, 이것이 물이 극성을 갖는 이유이다.
이온결합
두 원자가 결합할 때, 한쪽의 인력이 너무 강하게 되면, 상대 원자의 전자를 완전히 가져오게 되는 경우가 있다. 이런 경우의 결합을 이온 결합(Ionic bond)이라고 한다.
전자를 완전히 뺏은 쪽을 이제 음이온(-), 뺏긴 쪽을 양이온(+)이라고 부른다. 이렇게 될 경우, 양이온과 음이온은 서로를 끌어 당기게 되어서 결합을 형성할 수 있는 것이다.
이런 이온 결합 물질들은 입자들이 거대한 결정을 이루는 형태로 만들어지기 때문에 분자라고 부르지 않고 이온결정이라고 부른다.
금속결합
금속결합(metallic bond)은 말 그대로 금속에 속하는 원자에서만 일어나는 결합이다. 금속은 격자모양으로 원자 핵이 배열되어 있고, 이 금속 이온 사이에 자유 전자들이 공유하는 형태를 띄고 있다. 생물학에서는 금속결합에 대해서 크게 다루지는 않으나, 공유결합과 이온결합과 함께 강한 화학 결합에 속한다.
수소 결합
수소 결합(Hydrogen bond)는 위의 세 결합과는 달리 약한 결합에 속한다. 이 수소 결합은 생명체 내에서 굉장히 중요하며, 앞으로 쓸 포스트에도 자주 등장할 것이다. 수소 결합은 수소 원자의 전기음성도가 낮아서 공유결합을 할 때 양전하(+)를 띠게 되면, (-)전하인 다른 분자나 원자와 인력을 갖는 것을 말한다.
수소 결합을 하는 분자 들은 때부분 극성을 갖기 때문에, 물과도 수소 결합을 하여 물에 잘 녹는 성질을 갖는다.
반데르발스 힘
반데르발스 힘(van der Waals force)은 수소 결합과 마찬가지로 약한 결합에 속한다. 앞서 말했던 전기 음성도에 의하여 분자끼리나 분자 내에서의 인력이나 척력을 뜻한다.
쉽게 말해서 전자가 항상 고르게 분포되어 있지 않아서, 분자나 화합물 내에서 한 쪽으로 쏠려서 극성을 갖게 되는 경우를 말한다. 이 힘이 발생할 때, 약하지만 많은 상호작용이 동시에 촉진되면서 강한 힘을 작용할 수도 있다. 이런 미세한 힘의 작용은 단백질이나 핵산같은 분자들 사이에서도 형성된다.
화학반응
이러한 화학 결합들은 영원히 유지되는 것이 아니다. 물질은 계속해서 파괴되고 생성된다.
예를들어 2개의 수소(H2)분자와 1개의 산소(O2)분자가 만나면 2개의 물분자(H2O)가 생성될 수 있다.
그러나 이러한 작용이 아무때나 일어난다면, 물질들은 형상을 유지하지 못하고, 지구상의 물은 맘대로 산소와 수소로 분해되었다가 결합되었다가 할 것이다. 이러한 반응은 서로 충돌하거나 열이 가해지거나 해서 작용되며, 역반응 역시 마찬가지이다.
생명체에서도 이런 화학반응이 끊임없이 일어나고 있다. 광합성 호흡을 포함한 여러 화학 반응이 지금 이 순간에도 생명체들에서 끊임없이 발생하고 있다. 이런 자세한 내용은 추후에 더 깊이 다뤄보겠다.
결론
생명체 내에서는 다양한 화학결합(공유결합, 이온결합, 수소결합 등)이 존재하며, 여러 분자들 사이에서 화학반응이 끊임없이 일어나고 있다. 이런 결합과 반응의 기본적인 이해를 통하여, 추후에 생명체 내에서의 자극과 반응에서 일어나는 화학적인 변화와, 생명체의 핵심적인 역할을 하는 여러 결합들에 대해서 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
'일반생물학' 카테고리의 다른 글
| [일반생물학 4강] 탄소와 생물의 분자다양성 (14) | 2022.10.12 |
|---|---|
| [일반생물학 3-2강] 물과 생명체, 산과 염기, 산성과 염기성 (8) | 2022.10.03 |
| [일반생물학 3-1강] 모든 생명에 필수적인 분자: 물 (9) | 2022.09.30 |
| [일반생물학 2-1강] 원자와 분자 (7) | 2022.09.21 |
| [일반생물학 1강] 생물학이란 무엇인가? (1) | 2022.09.18 |
댓글