[일반화학] 4. 혼합물, 화합물, 공유결합, 이온결합, 화합물 명명법

[일반화학] 4. 혼합물, 화합물, 공유결합, 이온결합, 화합물 명명법

물질(matter)은 순물질과 혼합물로 분류된다. 순물질(pure substances)은 원소(element)이거나 화합물(chemical compound)이고 혼합물(mixture)은 두 가지 이상의 물질이 각 물질 자체의 화학적 변화 없이 임의의 비율로 서로 가해져 단순히 혼합된 것이다.

화합물은 다른 원소의 원자들이 특정한 방법으로 결합할 때 형성되는 순수한 물질로 구성 원소들이 가진 성질과 전혀 다른 성질을 가진 새로운 물질이다. 화합물에서 원자들은 서로 붙들어 매고 연결시키는 화학결합(chemical bond)을 한다. 원자 간 화학결합은 주로 공유결합이나 이온결합으로 분류된다. 

공유결합(covalent bond)은 가장 보편적인 화학결합으로, 두 원자가 서로 전자를 공유한 결과이다. 다음의 그림은 공유결합을 나타낸 것이다. 공유결합은 주로 비금속 원자들 사이에서 일어나고, 이온결합은 주로 금속 원자와 비금속 원자들 사이에서 나타난다. 

두 개 이상의 원자들이 공유결합에 의해 결합되어 생기는 물질 단위를 분자(molecule)라고 한다. 다음의 그림은 염화수소(\(\text{HCl}\)), 물(\(\text{H}_{2}\text{O}\)), 암모니아(\(\text{NH}_{3}\)), 메테인 분자(\(\text{CH}_{4}\))의 모형을 나타낸 것이다. 윗 부분은 공-막대(ball-and-stick) 모형으로 원자들 사이의 공유 결합을 표시하고, 아랫 부분은 공간채움(space-filling) 모형으로 전체적인 분자 모양을 정확하세 보여주지만 공유 결합을 명확하게 나타내지 않는다. 

염화수소 분자는 수소 원자와 염소 원자가 두 전자를 공유하고, 물 분자는 수소 원자 두 개가 각각 하나의 산소 원자와 전자 두 개를 공유하고, 암모니아 분자는 수소 원자 세 개가 각각 질소 원자 하나와 전자 두 개를 공유한다.   

화학에서 분자를 보통 구조식(structural formula)으로 표시한다. 구조식은 원자들 사이에 특정한 연결을 보여주며, 화학식만 사용하는 것 보다 많은 정보를 알 수 있다. 다음의 그림은 프로페인(\(\text{C}_{3}\text{H}_{8}\))의 화학식과 구조식, 분자모형이다.

단순히 프로페인의 화학식만으로는 원자들이 어떻게 결합되어 있는지 알 수 없으나 구조식을 통해 3개의 탄소 원자가 각각 3개, 1개, 3개의 산소 원자와 결합한 구조라는 것을 알 수 있다. 

몇 가지 원소는 원자보다 분자로 존재한다. 수소, 질소, 산소, 플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘은 모두 두 원자가 서로 공유결합으로 결합된 이원자(diatomic) 분자로 존재하므로 \(\text{H}_{2}\), \(\text{N}_{2}\), \(\text{O}_{2}\), \(\text{F}_{2}\), \(\text{Cl}_{2}\), \(\text{Br}_{2}\), \(\text{I}_{2}\)로 나타낸다. 수소를 제외한 모든 이원자 원소들은 주기율표의 가장 오른쪽에 밀집해 있다.(아래 그림 참고)

다음의 그림에서

왼쪽은 이원자 원소로 구성된 혼합물, 가운데는 순수한 이원자 원소로 된 분자들, 오른쪽은 순수한 화합물 분자들이다.     

이온결합(ionic bond)은 전자를 공유하는 것이 아니라 하나 이상의 전자가 한 원자에서 다른 원자로 이동하여 생기는 것이다. 이온결합은 금속과 비금속 사이에서 형성되고, 소듐, 마그네슘, 아연과 같은 금속원소는 전자를 주는 경향이 있고, 반대로 산소, 질소, 염소와 같은 비금속원소는 전자를 받는 경향이 있다. 

전하를 띤 입자를 이온(ion)이라 하고, 양전하를 가진 이온을 양이온(cation), 음전하를 가진 이온을 음이온(anion)이라고 한다. 다음은 소듐 금속이 염소 기체와 접촉해서 이온이 되는 것을 나타낸 식이다.

마그네슘과 염소 분자가 접촉할 때도 유사한 반응이 일어나 다음과 같이\(\text{MgCl}_{2}\)를 형성한다.$$\text{Mg}+\text{Cl}_{2}\,\rightarrow\,\text{Mg}^{2+}+\text{Cl}^{-}+\text{Cl}^{-}$$서로 다른 전하는 서로 끌어당기기 때문에 양이온은 음전하를 가진 음이온을 전기적으로 끌어당기고, 이러한 끌어당김을 이온결합이라고 한다. 이온결합한 물질은 공유결합과 달리 이온성 고체(ionic solid)라고 한다. 예를들어 \(\text{Na}^{+}\text{Cl}^{-}\)분자라고 하지 않고 \(\text{Na}^{+}\)이온과 \(\text{Cl}^{-}\)이온이 규칙적으로 쌓인 이온성 고체라고 한다.(아래 그림 참고)

*염소는 유독한 녹색 기체(아래그림 왼쪽)이고, 소듐은 반응성이 좋은 금속(아래그림 가운데)이며, 염화소듐(소금)은 무해한 흰색 고체(아래그림 오른쪽)이다.

전하를 띈 공유결합 원자들의 집합을 다원자 이온(polyatomic ion)이라고 한다. 예를들면 암모늄 이온(\(\text{NH}_{4}^{+}\)), 수산화 이온(\(\text{OH}^{-}\)), 질산 이온(\(\text{NO}_{3}^{-}\)), 황산 이온(\(\text{SO}_{4}^{2-}\)) 등이 있다. 다원자 이온은 전하를 띤 분자라고 볼 수 있고, 이러한 이온을 두 개 이상 포함하는 물질의 화학식을 쓸 때는 전체 다원자 단위에 괄호를 쓴다.(예: \(\text{Ba}(\text{NO}_{3})_{2}\)는 \(\text{Ba}^{2+}\)양이온과 \(\text{NO}_{3}^{-}\)다원자 음이온이 1:2비율로 구성된 물질이다)

화합물 명명법

두 가지 원소만으로 구성된 이성분 이온 결합 화합물은 영어로 쓸 때 앞에 양이온을, 뒤에 음이온을 명명한다. 양이온은 원소명을 그대로 사용하고 음이온은 원소로부터 이름의 첫 부분을 가져온 다음 끝부분에 '-ide'를 붙인다. 예를들어 \(\text{KBr}\)을 브로민화 포타슘(potassium bromide)이라고 명명하고, \(\text{K}^{+}\)이온은 포타슘(potassium), 음이온 \(\text{Br}^{-}\)이온은 브로민(bromine)원소에서 유래된 브로민화(bromide)이온으로 명명한다. 

한국어로 명명할 때는 음이온을 먼저 부르고 다음에 양이온을 부르며, 음이온은 '-ide'에 해당하는 '-화'를 붙인다. 이 방법대로 명명하면 \(\text{LiF}\)는 플루오린화 리튬, \(\text{CaBr}_{2}\)는 브로민화 칼슘, \(\text{AlCl}_{3}\)은 염화 알루미늄이다.

위의 주기율표를 보면 금속은 양이온을, 비금속은 음이온을 형성하는 경향이 있음을 알 수 있다. 또한 주기율표에서 같은 족의 원소들은 같은 전하를 가진 이온들을 형성하고, 이온 전하는 족의 번호와 관련이 있다. 1A족 원소들은 +1가 양이온(\(\text{M}^{+}\), \(\text{M}\)은 금속), 2A족 원소는 +2가 양이온(\(\text{M}^{2+}\)), 3A족 원소는 +3가 양이온(\(\text{M}^{3+}\))을 형성한다. 비금속은 주로 음이온을 형성하고 전하는 족 번호에서 8을 뺀 값이다. 그러므로 6A족 원소들은 -2(=6-8)가 이온, 7A족 원소들은 -1(=7-8)가 이온, 8A족 원소들은 이온을 형성하지 않는다(0=8-8).

금속이온 중 두 가지 이상의 양이온을 형성하는 금속이온들이 있다. 예를들면 철은 +2가인 \(\text{Fe}^{2+}\)이온과 +3가인 \(\text{Fe}^{3+}\)이온을 형성한다. 이러한 이온을 명명할 때 각각을 구별해야 하므로 괄호 안에 전하수를 나타내는 로마 숫자로 표현한다. 그러므로 \(\text{FeCl}_{2}\)는 염화 철(II), \(\text{FeCl}_{3}\)은 염화 철(III)이라고 쓴다. 다른 예로 \(\text{Sn}^{2+}\)는 주석(II)이온, \(\text{Sn}^{4+}\)는 주석(IV)이온이라고 한다. 중성 화합물에서 전체 양전하수의 합과 전체 음전하수의 합은 같아야 한다. 

다원자 이온을 가진 이온 결합화합물은 이성분 이온 결합 화합물과 같은 방법으로 명명한다. 즉 영어로 쓸 때는 먼저 양이온을 쓰고 다음에 음이온을 쓰는데 한국어 명명은 음이온을 먼저 쓰고 다음에 양이온을 쓴다. 예를 들어 \(\text{Ba}(\text{NO}_{3})_{2}\)는 질산 바륨(barium nitrate)인데 \(\text{Ba}^{2+}\)는 양이온, \(\text{NO}_{3}^{-}\)는 질산 이온(nitrate)이기 때문이다. 다원자 이온은 간단하고 체계적으로 명명하는 법이 없다. 다음의 표는 가장 보편적인 다원자 이온의 이름, 화학식, 전하인데 이것들을 모두 암기하는 것이 필요하다.

화학식	이름
양이온
\(\text{NH}_{4}\,^{+}\)	암모늄(ammonium)
일전하 음이온
\(\text{CH}_{3}\text{CO}_{2}\,^{-}\)	아세트산(acetate)
\(\text{CN}^{-}\)	사이안화(cyanide)
\(\text{ClO}^{-}\)	하이포아염소산(hypochlorite)
\(\text{ClO}_{2}\,^{-}\)	아염소산(chlorite)
\(\text{ClO}_{3}\,^{-}\)	염소산(chlorate)
\(\text{ClO}_{4}\,^{-}\)	과염소산(perchlorate)
\(\text{H}_{2}\text{PO}_{4}\,^{-}\)	인산 이수소(dihydrogen phosphate)
\(\text{HCO}_{3}\,^{-}\)	탄산 수소(hydrogen carbonate)[또는 중탄산(bicarbonate)]
\(\text{HSO}_{4}\,^{-}\)	황산 수소(hydrogen sulfate)[또는 중황산(bisulfate)]
\(\text{OH}^{-}\)	수산화(hydroxide)
\(\text{MnO}_{4}\,^{-}\)	과망가니즈산(permanganate)
\(\text{NO}_{2}\,^{-}\)	아질산(nitrite)
\(\text{NO}_{3}\,^{-}\)	질산(nitrate)
이전하 음이온
\(\text{CO}_{3}\,^{2-}\)	탄산(carbonate)
\(\text{CrO}_{4}\,^{2-}\)	크로뮴산(chromate)
\(\text{Cr}_{2}\text{O}_{7}\,^{2-}\)	다이크로뮴산(dichromate)
\(\text{O}_{2}\,^{2-}\)	과산화(peroxide)
\(\text{HPO}_{4}\,^{2-}\)	인산 수소(hydrogen phosphate)
\(\text{SO}_{3}\,^{2-}\)	아황산(sulfite)
\(\text{SO}_{4}\,^{2-}\)	황산(sulfate)
\(\text{S}_{2}\text{O}_{3}\,^{2-}\)	싸이오황산(thiosulfate)
삼전하 음이온
\(\text{PO}_{4}\,^{3-}\)	인산(phosphate)

위의 목록에서 암모늄 이온(\(\text{NH}_{4}^{+}\))만 양이온이고 나머지는 전부 음이온이다. 위의 표의 이온들에 대한 설명이 필요하다.

1. 대부분의 다원자 음이온의 이름은 아-산(-ite) 또는 -산(-ate)으로 끝난다. 

->수산화(hydroxide: \(\text{OH}^{-}\)), 사이안화(cyanide, \(\text{CN}^{-}\)), 과산화(peroxide, \(\text{O}_{2}\,^{2-}\))의 경우에만 -화(-ide)로 끝난다.

2. 한 원자가 서로 다른 수의 산소와 결합하여 일련의 옥소 음이온(oxoanion)을 형성한다.

->하이포아염소산 이온(hypochlorite, \(\text{ClO}^{-}\)), 아염소산 이온(chlorite, \(\text{ClO}_{2}\,^{-}\)), 염소산 이온(chlorate, \(\text{ClO}_{3}\,^{-}\)), 과염소산 이온(perchlorate, \(\text{ClO}_{4}\,^{-}\))이 있다.

아황산 이온과 황산 이온처럼 한 계열에 두 가지 옥소 음이온만 있을 때, 적은 산소 수는 아-산(-ite), 많은 산소 수는 -산(-ate)으로 쓴다.

\(\text{SO}_{3}\,^{2-}\): 아황산 이온(sulfite ion: 적은 산소) \(\text{SO}_{4}\,^{2-}\): 황산 이온(sulfate ion: 많은 산소)

\(\text{NO}_{2}\,^{-}\): 아질산 이온(nitrite ion: 적은 산소) \(\text{NO}_{3}\,^{-}\): 질산 이온(nitrate ion: 많은 산소)

한 계열에 옥소 음이온이 두 개보다 많은 경우, 가장 적은 산소 수를 가진 것에 접두사 하이포-(hypo-) 그리고 가장 많은 산소 수를 가진 것에 접두사 과-(per-: 더 많은 것을 의미)를 사용한다.       

\(\text{ClO}^{-}\): 하이포아염소산 이온(hypochlorite ion: 아염소산보다 적은 산소)

\(\text{ClO}_{2}\,^{-}\): 아염소산 이온(chlorite ion)

\(\text{ClO}_{3}\,^{-}\): 염소산 이온(chlorate ion)

\(\text{ClO}_{4}\,^{-}\): 과염소산 이온(perchlorate ion: 염소산보다 많은 산소)

3. 몇 쌍의 이온들은 수소의 존재 여부와 관련이 있다.  

->탄산 수소 음이온(hydrogen carbonate anion, \(\text{HCO}_{3}\,^{-}\))은 \(\text{H}^{+}\)이온이 존재하는 점에서 탄산 음이온(carbonate anion, \(\text{CO}_{3}\,^{2-}\))과 다르다. 황산 수소 음이온(hydrogen sulfate anion, \(\text{HSO}_{4}\,^{-}\))은 \(\text{H}^{+}\)이온이 존재하는 점에서 황산 음이온(sulfate anion, \(\text{SO}_{4}\,^{2-}\))과 다르다. *수소를 더 갖는 이온은 가끔 접두사 '중-(bi-)'을 붙여 부르지면 최근에는 사용하지 않는다. 

공유결합하고 있는 두 개의 원소로만 이루어진 이성분 분자성 화합물은 이성분 이온결합 화합물과 같은 방법으로 명명한다. 화합물에서 한 원소는 보다 전자가 부족하여 양이온과 유사(cationlike)하고, 다른 원소는 보다 전자가 풍부하여 음이온과 유사(anionlike)하다. 이온결합 화합물의 경우처럼 양이온 원소는 원소명 그대로 쓰고, 음이온 원소는 원소 이름 끝에 '-화(-ide)'라고 쓴다. 예: \(\text{HF}\)는 플루오린화 수소(hydrogen fluoride)라고 부른다.

주기율표에서 왼쪽 아래로 갈수록 더 양이온성이고, 오른쪽 위로 갈수록 더 음이온성이다.(비활성 기체는 제외)

(위에서부터 순서대로 일산화탄소, 이산화탄소, 삼염화 인, 테트라플루오린화 황, 사산화 이질소이다.) 

비금속의 경우, 가끔 다른 비율로 결합하여 다른 화합물들을 만들기 때문에 이성분 분자성 화합물의 명명법에서 각 원소마다 존재하는 수를 분명히 표시하기 위해 수 접두사를 포함한다. 예: \(\text{CO}\)는 일산화탄소(carbon monoxide), \(\text{CO}_{2}\)는 이산화탄소(carbon dioxide)라고 부른다. 다음의 표는 가장 보편적인 접두사이다.

접두사	의미
일-(mono-)	1
이-(di-)	2
삼-(tri-)	3
사-(tetra-)	4
오-(penta-)	5
육-(hexa-)	6
칠-(hepta-)	7
팔-(octa-)	8
구-(nona-)	9
십-(deca-)	10

영어식 명명법에서 접두사 끝이 a나 o로 끝나고 다음이 뒤따르는 음이온 이름이 모음으로 시작할 때, 접두가 끝의 a나 o는 삭제해서 두 모음이 이름에 함께 겹치는 것을 피한다.

\(\text{CO}\): carbon monoxide(O), carbon monooxide(X)

\(\text{N}_{2}\text{O}_{4}\): dinitrogen tetroxide(O), dinitrogen tetraoxide(X)  

또한 이름의 앞쪽에 있는 원자는 mono-접두사를 사용하지 않는다.

\(\text{CO}_{2}\): carbon dioxide(O), monocarbon dioxide(X)

참고자료:

Chemistry 7th edition, McMurry, Fay, Robinson, Pearson