수소결합이 어떻게 형성되는지 그 과정에 대해 궁금합니다.

Question

물질의 성질을 결정하는 중요한 분자 간 힘 중 하나는 수소결합이라고 합니다. 수소결합이 어떻게 형성되는지 그 과정에 대해 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

수소결합은 전기음성도가 매우 큰 F, O, N 원자와 결합하여 강한 부분 양전하를 띤 수소 원자가, 이웃한 다른 원자의 비공유 전자쌍과 정전기적으로 끌리면서 형성됩니다.

​수소결합이 형성되는 세부 과정에 대해 자세히 설명해 드릴게요.

수소 원자가 질소, 산소, 플루오린처럼 전자를 끌어당기는 전기음성도가 매우 강한 원자와 공유결합을 할 때, 전기음성도가 큰 원자가 결합에 참여한 공유 전자쌍을 자신 쪽으로 강하게 끌어당김으로써 전자구름의 치우침이 발생합니다. 전자가 상대 원자 쪽으로 치우치면서 수소 원자는 강한 부분 양전하를 띠고, 상대 원자는 부분 음전하를 띱니다. 특히 수소 원자는 전자가 1개뿐이고 안쪽에 차 있는 내각 전자가 없어, 전자를 뺏기면 양성자인 원자핵이 거의 그대로 노출되는 상태가 됩니다.

양전하가 강하게 노출된 수소 원자 주변으로 이웃한 분자의 F, O, N 원자가 반응에 참여하지 않은 전자쌍인 비공유 전자쌍을 가지고 있으며, 수소 원자핵은 이 비공유 전자쌍을 향해 강한 정전기적 인력을 받게 됩니다. 수소 원자는 모든 원자 중 크기가 가장 작기 때문에 이웃 원자의 비공유 전자쌍에 매우 가깝게 접근할 수 있습니다. 정전기적 인력은 거리가 가까울수록 기하급수적으로 커지므로, 일반적인 분자 간 힘보다 훨씬 강하고 방향성을 지닌 수소결합이 형성됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 수소결합은 수소 원자가 산소, 질소, 플루오린처럼 전자를 강하게 끌어당기는 원자와 공유결합을 형성했을 때, 그 수소 원자가 다른 분자의 전기음성도가 큰 원자와 정전기적으로 끌어당기는 현상입니다. 수소결합은 분자 사이에서 작용하는 힘 중 하나로, 물의 높은 끓는점이나 얼음의 독특한 구조, 단백질과 디엔에이의 안정성을 설명하는 데 중요한 역할을 합니다.

수소결합이 형성되는 과정을 이해하려면 먼저 전기음성도라는 개념을 알아야 하는데요, 전기음성도란 원자가 공유결합에 참여한 전자를 끌어당기는 능력입니다. 산소는 수소보다 전기음성도가 크기 때문에 물 분자에서 공유결합을 이루는 전자쌍을 자신 쪽으로 더 강하게 끌어당깁니다. 결과적으로 산소 원자 주변에는 부분적인 음전하가 형성되고, 수소 원자 주변에는 부분적인 양전하가 형성됩니다. 물 분자 전체의 전하가 중성이더라도 분자 내부에서는 전하가 균일하게 분포하지 않는 것입니다.

이렇게 부분적인 양전하를 띠는 수소 원자가 다른 물 분자의 산소 원자처럼 부분적인 음전하를 띠는 원자에 가까워지면 서로 전기적으로 끌어당기는 힘이 작용합니다. 이것이 수소결합인데요, 이때 수소 원자와 원래 결합한 산소 사이의 공유결합이 끊어지는 것은 아닙니다. 공유결합은 분자 내부에서 원자들을 연결하고, 수소결합은 주로 서로 다른 분자 사이를 연결하는 역할을 합니다. 다만 특정 분자 구조에서는 한 분자 안에서 수소결합이 형성되기도 합니다.

물에서 수소결합은 특히 중요한 의미를 가집니다. 물 분자 하나는 다른 물 분자들과 수소결합을 형성할 수 있어 액체 상태에서도 분자들이 서로 끌어당기는 상호작용을 합니다. 물을 끓이려면 분자 사이의 이러한 인력을 극복해야 하므로, 분자량이 비슷한 다른 여러 물질보다 물의 끓는점이 높게 나타납니다. 또한 물이 얼면 분자들이 수소결합을 통해 비교적 규칙적이고 공간을 많이 차지하는 구조를 형성합니다. 이 때문에 얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 낮아 물에 뜨게 됩니다. 수소결합은 생명체를 구성하는 분자에서도 중요합니다. 디엔에이에서는 서로 마주 보는 염기 사이에 수소결합이 형성되어 이중나선 구조를 안정화하는데요, 아데닌과 티민은 일반적으로 수소결합 두 개를, 구아닌과 사이토신은 세 개를 형성합니다. 이러한 결합은 두 가닥이 서로 대응하는 구조를 유지하도록 돕지만, 유전물질을 복제할 때는 필요한 조건에서 두 가닥이 분리될 수 있게 합니다. 단백질에서도 수소결합은 특정 부분이 접히고 안정적인 입체 구조를 유지하는 데 기여합니다. 감사합니다.