물질의 결합은 무엇일까.

이 세상은 118가지의 원소들을 기반으로 하여 몇천만가지가 되는 물질들이 분자의 형태로 존재하게 되고, 우리 주변에 있는 수많은 다양한 종류의 물건들이 만들어지게 된다. 이때, 이들은 기본적으로 원소라는 가장 기본적인 단위로 이루어져 있는데, 이들이 결합이라는 것을 하게 되면서 현재 우리 주변에 있는 수많은 물질들이 되었다고 한다. 만약에 결합이 존재하지 않았더라면 이 세상에는 오직 118가지 이하의 물질 (사실 92가지 이하가 더욱 더 정확할 수도 있다.)만이 이 세상에 존재하였을 것이다. 그렇다면 결합은 어떻게 이루어지는 것일까? 무엇을 우리는 결합이라고 하는 것일까?

 결합은 전자들이 겹쳐지게 되면서 형성되는 것을 의미한다. 이때, 결합이라는 것을 할 때에는 원자에서 가장 외각에 존재하는 전자들 만을 가지고 일반적으로 결합을 설명하게 된다. 이때 결합 중에서는 일반적으로 생각할 수 있는 두 가지의 물질들이 겹쳐져서 형성이 되는 시그마 결합이라는 것이 존재하게 되고, 그것 외에는 파이 결합이 존재하게 된다. 이때, 과거에는 시그마 결합이랑 파이 결합을 구분하지 못하여 AO 등의 이론등이 나오게 되었으나 현대에는 시그마 결합이랑 파이 결합을 통하여 설명을 하려는 이론도 존재하기도 하다. 이떄, 일반적으로 측면에서 결합을 하는 결합은 그냥 결합을 하게 되는 경우보다는 잘 결합이 일어나지 않게 될 것이므로 50~60%의 결합력만을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 이때, 시그마 결합이랑 파이 결합의 경우에는 어떠한 이론을 적용하게 되냐에 따라서 이들의 우선순위가 달라질 수 있게 된다. 이때, 이러한 결합들을 설명할 수 있는 가장 대표적인 이론 2가지를 설명을 하도록 하겠다.

 VBT와 MO의 경우에는 가장 큰 차이점이 존재하게 되는데, 이는 무엇을 구명하고 싶냐에 따라서 차이가 생기게 되는 것이다. 우선적으로 더 좋은 이론이라는 것은 존재하지 않는다. 이 이론 둘다 많은 분자들의 구조와 물리적인 성질들을 설명할 수 있으며 동시에 많은 물질들의 결합과 물리적인 성질을 설명할 수 없는 경우도 존재하게 되는 것이다. 그렇기에 이론을 공부하기 앞서 좋은 이론이라는 개념은 크게 존재하지 않고, 내가 어떠한 화합물의 실질적인 구조가 궁금하게 된다면 일반적으로 VBT를 사용하는 것이 바람직하고, 물리적인 성질을 파악하는 것이 목표라면 MO를 살피는 것이 더욱 더 바람직하다.

 VBT 이론에서의 핵심은 s오비탈, p,d 오비탈의 혼성화라는 것이다. 이들이 서로 적절하게 섞이게 된다는 것이다. 이들이 혼합을 하게 되어서 균등한 오비탈을 형성하게 된다는 것이다. 이와 별개로 MO의 경우에는 각각의 입자들을 철저하게 파동으로 생각을 하여 이들이 선형조합을 하게 되어서 만들어지게 되는 새로운 형태의 분자 오피탈들에 전자들을 채우게 된다. 이때, 만들어지는 오비탈 중에서는 결합성 오비탈이 존재하고, 반결합성 오비탈, 비결합성 오비탈이 존재하게 되는데, 이들 중에서 결합성 오비탈, 반결합성 오비탈의 형태에 따라서 결합의 여부가 바뀌게 되는 형태로 만들어지게 된다.

 이러한 다양한 이론들을 통하여 우리는 오늘날까지도 수많은 물질들이 어떻게 결합을 하는지에 대해서 간략하게 확인을 하였다. 앞으로도 더욱 더 정교한 이론이 나오게 되어서 물질의 구조와 물리적 성질을 잘 설명할 수 있는 이론이 나오면 더욱 더 좋을 것 같다.

사진 출처 : David W. Oxtoby, H.P. Gillis, Alan Campion - Principles of Modern Chemistry-Cengage Learning (2012)