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고등학교 1~2학년 (15-17세)

공유 결합

Covalent Bond

공유 결합은 비금속 원자들이 전자쌍을 함께 나누어 가지면서 생기는 결합이에요. 두 원자가 가까워지면 전자구름이 겹치며 에너지가 낮아지다가, 너무 가까워지면 원자핵끼리 밀어내 다시 높아져서, 에너지가 가장 낮은 거리가 결합 길이가 돼요. 두 원자 사이에 공유하는 전자쌍이 많을수록, 곧 단일 · 이중 · 삼중 결합으로 갈수록 결합 에너지는 커지고 결합 길이는 짧아져요. 그림에서 핵 사이 거리를 바꾸면 에너지 곡선 위의 점이 움직이고, 결합 차수를 바꾸면 탄소 원자 사이 결합의 길이와 세기가 달라져요.

공유 결합은 어떻게 생길까

1 r₀
💡 비유: 공 하나를 함께 잡기
①두 사람이 공(전자쌍) 하나를 함께 잡고 있는 모습과 비슷하다
②두 원자가 가까워질수록 전자구름이 겹쳐 에너지가 낮아지지만, 너무 가까우면 원자핵끼리 밀어내 에너지가 다시 높아진다
③에너지가 가장 낮은 거리가 결합 길이다
④이온 결합처럼 전자를 주고받는 것이 아니라 전자를 함께 쓴다

단일 · 이중 · 삼중 결합

1
결합 차수와 성질
결합 차수↑ → 결합 에너지↑, 결합 길이↓
같은 원자 사이라면 삼중 > 이중 > 단일 순으로 결합이 강하다
🔍 세 가지 결합 비교
①단일 결합: σ 결합 1 개(H₂, Cl₂, C−C)
②이중 결합: σ 결합 + π 결합(O₂, C=C)
③삼중 결합: σ 결합 + π 결합 2 개(N₂, C≡C)
④탄소-탄소 결합은 단일 154 pm, 이중 134 pm, 삼중 120 pm 으로, 결합 차수가 클수록 짧고 강하다

전기 음성도와 극성

극성 공유 결합
ΔEN > 0 → 전자쌍이 한쪽으로 치우침
ΔEN 은 두 원자의 전기 음성도 차이다
무극성 공유 결합
ΔEN = 0 → 전자쌍을 똑같이 나눠 가짐
같은 원소끼리의 결합(H₂, O₂, N₂)
💡 결합은 연속적이다
①ΔEN = 0: 무극성 공유 결합(H−H)
②ΔEN 이 대략 1.7 보다 작으면 극성 공유 결합(H−Cl)
③ΔEN 이 대략 1.7 보다 크면 이온 결합에 가깝다(Na−Cl)
④공유 결합과 이온 결합은 딱 잘라 나뉘지 않고 이어져 있다

직접 풀기

예제 1
수소 분자(H₂)에서 두 수소 원자는 어떻게 결합하는가? 공유 전자쌍 수는?
1
각 H 원자가 전자를 1 개씩 내놓아 전자쌍 1 개를 함께 쓴다(단일 결합).
H· + ·H → H:H (H−H)
2
공유한 전자쌍의 수를 센다.
공유 전자쌍 1 개 (단일 결합)
▸ 단일 결합, 공유 전자쌍 1 개
두 원자가 전자쌍 1 개를 함께 써서, 각 수소 원자가 헬륨과 같은 안정한 전자 배치를 이룬다.
예제 2
질소 분자(N₂)의 결합 종류와 공유 전자쌍·비공유 전자쌍 수를 구하시오.
1
N 원자는 원자가 전자가 5 개라, 3 개씩 내놓아 전자쌍 3 개를 공유하는 삼중 결합을 이룬다.
N≡N (삼중 결합)
2
공유 전자쌍과 남은 비공유 전자쌍을 센다.
공유 전자쌍 3 개, 비공유 전자쌍 2 개
▸ 삼중 결합 (공유 전자쌍 3 개, 비공유 전자쌍 2 개)
각 N 원자에 비공유 전자쌍이 1 개씩 남아 모두 2 개이고, 삼중 결합이라 매우 짧고 강하다.

정리

공유 결합
비금속 + 비금속 → 전자쌍 공유
전기 음성도 차이가 작은 원소 사이에서 생긴다
2023 평가원 모평 화학Ⅰ 유형 변형
다음 분자 중 2중 결합(이중 결합)을 포함하는 것은?
①H₂
②Cl₂
③O₂
④N₂
⑤HCl
▸ ③ O₂
1
각 분자의 결합 차수를 비교한다. H₂, Cl₂, HCl 은 단일 결합, N₂ 는 삼중 결합이다.
2
남은 O₂ 의 결합 차수를 확인한다.
O₂: O=O 이중 결합 (공유 전자쌍 2 개)
🎯 시험 포인트
①공유 결합은 비금속 원자끼리 전자를 함께 쓰는 결합이다
②결합 차수가 클수록 결합 에너지는 크고 결합 길이는 짧다
③σ 결합은 결합 축 방향으로, π 결합은 옆으로 오비탈이 겹친 것이다
④ΔEN > 0 이면 극성, ΔEN = 0 이면 무극성 공유 결합이다
⑤배위 결합은 한쪽 원자가 전자쌍을 모두 내놓는 결합이다(예: NH₄⁺)
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분자의 구조

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