9. 생물학 개론, 작은 분자 - 화학 반응

 

9. 생물학 개론, 작은 분자 - 화학 반응

목차

 

9. 생물학 개론, 작은 분자 - 화학 반응   

 

▒ 화학 반응   

 

● 외부 전자에너지껍질의 채움   

   원자는 외부 전자껍질을 채우는 경향이 있는데, 그것은 어떻게 일어날까? 원자는 다음 세 가지 중의 한 가지 방법으로 외각을 채우는 것이다. 

   첫째는 다른 원자로부터 한 개 또는 그 이상의 전자를 얻어서 빈 부분을 채운다. 

   둘째는 처음과 반대로 한 개 또는 그 이상의 전자를 다른 원자에게 주는 것인데, 이렇게 되면 원소 원래의 외각이 완전히 비워지고 낮은 에너지 수준으로 채워진 외각을 갖게 된다. 

   셋째는 다른 원자와 전자쌍을 공유하는 방법이다. 이와 같이 외부 전자껍질은 손실, 소득, 또는 공유의 방법을 통하여 채워질 수 있다.

   위의 각 경우에 항상 2개 이상의 원자가 필요하며, 이렇게 원자가 관여하는 여러 활동을 화학반응(chemical reaction)이라고 한다. 원자들간에 일어나는 이와 같은 전자의 손실, 소득, 또는 공유에 의해 관련된 원소들의 화학적인 성질이 변하므로 화학자들은 화학반응을 더욱 일반적인 방법으로 정의하기도 한다. 화학반응이란 초기 물질인 반응물(reactant)이 화학적으로 새로운 물질인 생성물(product)로 바뀌는 변화이다. 

   만약 반응물로서 두 가지의 위험한 물질인 나트륨(물과 격렬하 게 반응하는 은백색 물질)과 염소(공기보다 무겁고, 코를 찌르는 연초록색 기체) 를 반응시키게 되면 이 두 물질은 화학반응에 의하여 소금을 생성한다. 이와 같은 화학반응을 통하여 반응물의 물리적인 성질에 극적인 변화가 일어난다.

   반응하는 원자가 전자를 잃을 것인지 얻을 것인지, 또는 공유할 것인지는 예측이 가능하다. 원자가 자신의 전자를 잃지 않고 다른 전자를 끌어오는 능력은 바로 그 원자의 전기음성도(electronegativity)에 달려 있기 때문이다. 각 원소들의 원자는 상당히 다른 성질을 갖는다. 예를 들어 전 기음성도를 보면 칼륨(K)이 0.8인데 비해 플루오르는 4.0으로 만약 플루오르와 칼륨이 반응하게 되면 플루오르가 칼륨의 전자를 끌어당기게 될 것이다.

   반응하는 원소간의 전기음성도 차이는 전자의 동태를 결정한다. 어림잡아 그 차이가 2.0 이상이 되면 전기음성도가 더 큰 원소의 원자는 전기음성도가 작은 원자로부터 전자를 포획하며, 차이가 2.0이 되지 않는 경우는 원자 간에 전자를 공유하는 경향이 있다. 그런데 이것은 양자택일의 상황이 아니라, 오히려 전자의 손실이나 소득이라는 한 상황과 전자를 조화롭게 공유하는 다른 상황이 연속성을 이루고 있다. 이 양쪽 사이에서 어떤 분자들은 원자가 전자를 균형 있게 공유하지 못하고 한 원자가 얼마 동안 전자를 일방적으로 보유한 상태를 이룬다.

   전자를 얻거나 잃게 되면, 원래 전기적으로 균형을 이루었던 원자는 전하를 갖게 된다. 즉 전자를 얻는 원자는 음전하를, 전자를 잃게 되는 원자는 양전하를 띠는 것이다(양성자의 수가 전자의 수보다 많아짐). 이와 같이 전하를 띤 원자를 이온(ion)이라고 한다. 그러나 전자의 공유가 불균등한 형태로 이루어지는 경우, 분자는 전체적으로 전기량의 변화는 없으나 극성(polar nature)을 갖게 되어 전자가 모자라는 부분은 양전하를, 전자를 보유하는 다른 부분은 음전하를 띠게 된다(이의 가장 좋은 예가 물인데, 물에 대한 생명체의 의존은 이와 같은 물이 지닌 고도의 극성에 의하는 것이다). 

   전자가 균등하게 공유되면 분자는 극성을 갖지 않는다(nonpolar). 비극성 분자의 전하는 분자 전체에 균일하게 분포되어 있다.

   원자들 사이에서 일어나는 전자의 상호작용에 의해 원자간에 화학결합(분자를 결합시켜 주는 힘)이 형성된다. 3가지의 화학결합이 특히 중요한데, 그것은 이온 결합(ion bond), 공유결합(covalent bond), 수소결합(hydrogen bond)이다. 이온결합과 공유결합은 전자의 이동과 공유에 의한 것이지만, 수소결합은 반대의 전하를 띤 그룹 사이의 인력에 의한 것이다.

 

● 이온과 이온결합(Ionic Bond)   

   이온결합의 가장 좋은 예로는 소금의 형성을 들 수 있다. 나트륨(Na)과 염소(CI)는 전기음성도가 아주 다르기 때문에 염소가 전자를 포획하게 되나, 에너지론적으로 보면 두 원소간의 필요가 상보적이다. 나트륨은 11개의 양성자와 11개의 전자를 갖고 있다. 첫번째 껍질에 2개, 다음 껍질에 8개, 바깥 껍질에 1개를 갖고 있어 결국 완전한 껍질을 형성하는 데 7개의 전자가 모자라는 상태이다. 그러나 2개의 껍질 로 만족할 경우 1개의 전자가 남는다고 할 수 있다. 이 바깥 껍질의 잉여 전자는 높은 에너지 수준이고 쌍을 이루지 못하고 있다. 나트륨은 전기음성도가 약하기 때문에 염소로부터 전자를 포획하여 바깥 껍질을 채우기보다는 마지막 전자를 포

기하려는 경향을 갖는다. 

   반면 염소 원자는 17개의 양성자와 17개의 전자를 가지며 전기음성도가 대단히 강하다. 염소의 3번째 궤도함수에는 7개의 전자가 있어 1개의 전자가 모자란다. 그러므로 염소는 1개의 전자를 포획하여 전자쌍을 형성하는 동시에 외각을 채우려 한다.

   위와 같은 특이한 성질 때문에 나트륨과 염소 원자는 나트륨(전자공여체)으로부 터 1개의 전자가 염소(전자수용체)로 전달되면서 급속한 반응이 진행된다. 결국 나트륨은 원래의 11개의 전자가 10개로 줄면서 +1의 전하를 띠게 되며, 반대로 염소는 -1의 전하를 띠게 된다. 반대 전하에서 작용하는 인력으로 나트륨은 염소 | 와 쉽게 결합하여 염화나트륨(sodium chloride), 즉 소금을 형성한다. 음으로 하전된 염소 원자는 '염소 이온'이라 하고 'chlorine’ 대신 ‘chloride'로 표시 하며, 나트륨의 경우는 하전되건 안 되건 간에 똑같이 'sodium’으로 동일하게 표 시한다. 이와 같이 전하를 띠는 원자를 이온이라 한다.

   양으로 하전된 이온과 음으로 하전된 이온 간의 전기적 인력에 의하여 이온결합이 형성된다. 따라서 이온결합은 전자가 전자공여체로부터 수용체로 완전히 이전된 후에 전기적 인력에 의하여 형성되는 결합이라 정의한다. 그러면 이온결합에 의하여 형성된 물질의 구조를 살펴보자. 

   예를 들어 소금은 나트륨과 염소 이온 간의 이온결합에 의하여 아주 작은 부스러기로부터 큰 덩어리 상태의 결정체를 이룰 수 있다. 그러나 이와 같은 결합은 아주 약하기 때문에 소금을 물에 넣으면 소금의 결정체는 즉시 각 이온으로 해리(dissociate) 되는데, 말하자면 용해가 되는 것이다. 이렇게 형성된 용액은 양전하와 음전하의 비가 같으며 동시에 소금물은 이동할 수 있는 이온 때문에 훌륭한 전도체가 된다.

   공유결합에 대한 언급을 하기 전에 에너지 경향과 소금에 형성을 관련지어 보자. 소금이 형성되면서 나트륨과 염소 원자의 에너지 경향에 대한 경쟁적 요구는 어떻게 될까? 이 요구는 다음과 같은 사실로 미루어 충족된다고 할 수 있다.

   1. 소금 분자의 경우 모든 전자는 쌍을 이루게 된다

   2 나트륨과 염소의 외각은 완전히 채워진다. 

   3. 소금 결정의 경우 전기적 하전이 균형을 이룬다(+와 - ).

 

소금의 결정

 

● 공유결합(Covalent Bond) - 전자쌍의 공유   

 

   한 개, 또는 그 이상의 전자쌍이 두 개의 원자에 의하여 공유될 때 공유결합이 일어난다. 이와 같은 공유는 두 원소 간의 전기음성도의 차이가 크지 않아 한 원자가 다른 원자로부터 전자를 완전히 포획할 수 없을 때 발생한다. 이와 같은 원자들이 가까이 존재 하게 되면 전자쌍을 공유하여 전자껍질의 조건을 만족시키게 된다. 이 경우 원자는 전자를 공유하므로 전자의 손실이 없고 전자의 세 가지 에너지 경향을 한꺼번에 만족시키며, 이와 같이 형성된 공유결합은 원자를 결합시켜 분자를 형성한다. 

   가장 간단한 공유결합 분자인 수소 분자(H2)를 예로 들어 보자. 수소 분자는 한 개의 핵과 한 개의 양성자를 가진 수소 원자 두 개로 이루어져 있으며 각 원자는 쌍을 형성하지 못한 한 개의 전자를 가지고 있다. 분자를 형성하는 과정에서 원소의 에너지 경향은 다음과 같이 충족된다.

   1. 두 개의 수소 원자는 각기 가지고 있는 하나의 전자로 전자쌍을 이룬다. 

   2. 양쪽 원자가 서로 전자쌍을 공유함으로써 양쪽의 원자는 전자껍질을 채우고자 하는 요구를 동시에 충족시킨다. 

   3. 수소 분자 내의 양성자와 전자 사이의 하전은 균형을 이루고 있다.

 

수소 분자

 

   위의 그림은 수소 분자를 보여 주고 있다. 소금의 이온결합과는 달리 공유결합은 쉽게 파괴되지 않는 강한 결합이며 수소 분자는 물에 의하여 해리되지 않는다.

   수소 분자를 이루는 두 개의 수소 원자는 각기의 전자를 공평하게 공유하므로, 분자는 비극성 공유결합을 형성한다. 대부분의 분자들은 이와 같은 형태의 결합을 통하여 한 가지 원소로 이루어진 것들이 많다. 또한 공유결합은 전기음성도가 같지 않은 다른 원소들 사이에서도 흔히 일어나는데, 이 경우에는 전자의 공유가 균등하지 못하다. 물은 전자의 공유가 불균등하게 이루어진 대표적인 예로 극성 공유결합을 형성한다. 물이 훌륭한 용매가 될 수 있는 것은 물의 극성 때문이다. 물 분자는 음전기성과 양전기성을 모두 띠고 있어 다른 물 분자들과 상호 작용하기 쉬우며, 또한 다른 물질들과도 쉽게 작용하여 용액을 만든다.

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