1. 개요
이온 결합(ionic bond)은 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의해 작용하는 화학 결합. 험프리 데이비에 의해 고안되었다.학교나 고등학교 교육에서는 금속 양이온과 비금속 음이온의 결합이라고들 가르치지만, 이온결합을 하는 비금속 양이온은 차고 넘친다.
전형 원소 중, 알칼리 금속과 알칼리 토금속 같은 금속 원소는 원자가 전자 수가 적어 이온화 에너지가 적기 때문에 전자를 잃어버리기 쉽다. 그리고 15~17족의 비금속 원소들은 원자가 전자에 전자가 부족해 이온화 에너지가 커 전자를 얻고 음이온이 되기 쉽다. 그렇게 가장 간단하게 이온이 되어서 정전기적 인력으로 결합하면 이온 결합. 보통 금속과 비금속[1]이 결합하면 이 결합이다.[2] 원소뿐만 아니라 분자 덩어리도 하나의 이온으로 작용할 수 있는데, 이를 다원자 이온(多原子-, polyatomic ion) 혹은 분자 이온(分子-, molecular ion)이라고 한다. 다원자 이온의 대표적인 예로 글루탐산이 있다.
이온 결합 화합물은 주로 상온에서 강한 정전기적 인력에 의해 결정을 이루는데, 결정 상태의 이온은 정지되어 있기 때문에 전기가 통하지 않고, 전기가 통하는 것들은 용융되어 분자 구조가 풀어졌을 때이다. 이렇게 전도체 상태가 된 용액을 전해질이라고 한다.
상술한 정전기적 인력으로 강하게 결합되어있기 때문에 웬만해선 녹는점이 꽤 높다. 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 이온 결합 화합물인 소금의 녹는점은 800도, 끓는점은 1,465도에 달한다. 다만 비금속 양이온과 결합한 경우는 이온성 액체인 경우도 있다.
하지만 이온결합의 특성상 공유하는 전자가 전혀 없기 때문에 화학 결합의 세 가지 방식 중 충격에 가장 약하다. 강철에 비해 녹슨 철이 얼마나 잘 바스러지는지 보면 알 수 있다.
그리고 모두가 알다시피 물에 녹이면 상온에서도 쉽게 분리된다. 이 상태로 또 다른 이온결합 물질을 물에 녹이면 다른 짝을 맺기도 한다. 질산 은(AgNO3)을 소금물에 녹이면 흰 앙금(염화 은)이 생기는 것이 그 예.
이온 결합의 화학식은 웬만하면 실험식으로 나타낸다. 물론 구조식으로도 표현할 수 있다.
이온 결합에 따라 어떤 비활성 기체와 배치가 같아지는지가 결정된다. 예를 들어 마그네슘 원자는 전자를 2개 잃고, 산소 원자는 전자 2개를 얻어서 만들어진 두 이온은 모두 비활성 기체인 네온과 전자 배치가 같다.
대표적인 예로 소금(Na+Cl-)이 있다.[3]
2. 명명법
금속 이온은 원소의 이름 뒤에 그대로 '이온'을 붙인다(예: 나트륨 이온.). 비금속 이온의 경우 원소 이름에 '~화 이온'을 붙이며, 염소, 산소와 같이 '소'로 끝나는 원소는 '소'를 빼고 '~화 이온'을 붙인다(예: 염화 이온, 황화 이온.).[4]영어식 명명법 같은 경우에도 비금속 쪽에 '~ide'를 붙여 부른다. 그 예에는 chloride ion(염화 이온), sulfide ion(황화 이온) 등이 있다. 산의 경우는 ~ic acid 대신 ~ate를 붙인다. (예) benzoic acid → benzoate ion)
3. 기타
결정의 원자의 수가 너무 많기 때문에 그 수를 나타내는 일은 없다고 보아야 한다.[5][6]이온 결합으로 이루어진 물질을 구성하는 이온 결합은 비누의 수산화 나트륨(NaOH), 습기 제거제의 염화 칼슘(CaCl2), 베이킹 파우더의 탄산수소 나트륨(NaHCO3), 조개껍데기나 달걀껍데기의 주성분인 탄산 칼슘(CaCO3) 등이 있다.
이온 결합 물질은 고체 상태일 때에는 이온들이 정전기적 인력으로 결합하여 움직일 수 없으므로 전류가 흐르지 않는다. 그러나 액체 상태이거나 수용액에서는 이온들이 자유롭게 이동하여 양이온은 (-)극, 음이온은 (+)극으로 이동하여 전류가 흐른다.(예: 나트륨 이온과 염화 이온 사이의 이온 결합) 즉, 물질의 상태에 따라 전기 전도성이 달라진다.
음과 양이 만나서 물질을 이룬다는 음양설과 닮은 바가 있다. 그래서 그런지 음양론 비슷한 철학을 가지고 있던 영국의 코울리지는 이온결합이 자신의 철학을 지지하는 증거인 것으로 믿었다.[7] 그래서 공대개그에서 연애를 이온결합이라고 부르기도 한다. (...)
금속 결합과 이온 결합의 중간적인 성격을 띠는 결합 상태인 진틀상이 존재한다.
[1]
물론 CsAu, MgPo 등 금속과 금속 사이에서 이온 결합을 하기도 한다.
[2]
가장 흔하게 볼 수 있는 게 바로 '자동차 도장'이다. 옛날 자동차들은 도장을 페인트를 여러 번 덧 뿌리는 식으로 입혀서(이러한 접착은 표면의 미세한 벨크로가 형성되어 발생한다. 순간접착제와 같은 원리) 세월이 지나면 갈라지며 금속 차체와 분리 돼 일어나는 경우가 있었다. 지금은 전착도장법, 즉 본문의 이온결합 원리를 이용해 금속자재에 페인트를 전자기력을 이용해 붙혀놓기 때문에 긁히는 등의 물리적 충격으로 해당 부분이 벗겨지는 경우는 있어도 들뜨지는 않는다. 이 공법이 도입된 초기엔 트럭 등에 메이커에서 '전착도장적재함'이라며 자랑스럽게(!) 문구를 박아넣기도 했다.
[3]
나트륨 원자에서 염소 원자로 전자 1개를 이동시켜 생성된 이온끼리 결합한 염화 나트륨 덩어리다.
[4]
단, 수소의 음이온은 수소화 이온이라 부른다.
[5]
예로, 1
몰이 6.0221415×1023개의 입자이다. 나노 단위 밑으로 가지 않는 이상 개수로 나타내는 일은 없다.
[6]
그래서 보통 개수비만 표현하기 위해 실험식으로 나타낸다.
[7]
Levere, Trevor H. "Coleridge, Chemistry, and the Philosophy of Nature." Studies in Romanticism (1977): 349-379.