1. 개요
電氣陰性度 / electronegativity화학에서 전기음성도(electronegativity)란, 공유결합을 형성한 두 원자 중 한 원자가 결합 전자쌍을 자신의 쪽으로 끌어당기는 능력의 상대적 세기를 나타내는 개념이다. 이는 원자 자체의 핵전하의 크기, 전자껍질 수, 원자 반지름 등에 영향을 받으며, 전기음성도가 클수록 전자를 더 강하게 끌어당긴다고 본다. 즉, 이 값은 원자가 전자를 '소유'하려는 욕구의 상대적인 척도이며, 실제 전자밀도 분포에도 직접적인 영향을 준다.
2. 유래
전기음성도는 수치적으로 절대적인 값이 아니라 상대적인 척도이며, 일반적으로 가장 널리 사용되는 기준은 라이너스 폴링이 제안한 '폴링 전기음성도(Pauling scale)'이다. 폴링은 결합에너지 차이를 활용하여 전기음성도 차이를 수치화하였으며, 기준 원소로는 수소([math(\rm H)])의 전기음성도를 2.20으로 설정하였다. 이후 대부분의 주기율표에서는 플루오린([math(\rm F)])을 4.0으로 하여 상대값을 표기한다.공유결합을 이룬 두 원자 사이의 전기음성도 차이가 클수록, 전자쌍은 전기음성도가 더 큰 쪽으로 치우치게 되고, 이는 결합 쌍극자 모멘트를 형성하여 극성 결합(polar bond)을 만든다. 만약 전기음성도 차이가 극단적으로 크면 공유결합이 아니라 이온결합이 형성될 수도 있다. 일반적으로 전기음성도 차이가 약 1.7 이상이면 이온성 성격이 우세하다고 본다.[1] 한편, 전기음성도 측정은 실제로 공유결합이 형성되어 있어야 가능한 개념이므로, 전통적으로 He, Ne, Ar 등은 측정 불가능한 것으로 여겨졌다. 그러나 2017년 유타 대학교 연구팀이 헬륨-나트륨 화합물([math(\rm Na_2He)])을 합성해 안정적인 공유결합 상태에서 헬륨의 화합물을 관측한 바 있어, 일부 극단적인 조건에서는 예외도 존재함이 밝혀졌다.
폴링의 전기음성도 체계 외에도 여러 종류의 전기음성도 척도가 존재한다. 예를 들어, 로버트 앤드루스 밀리컨은 자신의 기준에 따른 밀리컨 전기음성도 체계를 제안하였으나, 현재는 거의 쓰이지 않는다. 그 외에 여러 학자들이 나름의 방식으로 척도를 제시한 바 있다. 그럼에도 불구하고 실용성과 해석 용이성 면에서 폴링 척도가 가장 널리 쓰인다.[2] 라이너스 폴링은 전기음성도 개념을 정립하고 이를 체계화한 공로로 노벨화학상을 수상하였다. 로버트 앤드루스 밀리컨 역시 이후 자신의 연구 성과로 같은 상을 수상하였으나, 전기음성도 체계 자체는 폴링의 업적이 정설로 남아 있다. 폴링의 전기음성도는 화학 결합, 극성, 분자의 쌍극자 모멘트, 전하 분포, 반응성 예측 등 다양한 분야에서 핵심 지표로 활용되고 있다.
3. 전기음성도 표
폴링 전기음성도| 1 H 2.20 | 2 He | ||||||
| 3 Li 0.98 | 4 Be 1.57 | 5 B 2.04 | 6 C 2.55 | 7 N 3.04 | 8 O 3.44 | 9 F 3.98 | 10 Ne |
| 11 Na 0.93 | 12 Mg 1.31 | 13 Al 1.61 | 14 Si 1.90 | 15 P 2.19 | 16 S 2.58 | 17 Cl 3.16 | 18 Ar |
| 19 K 0.82 | 20 Ca 1.00 | ||||||
폴링 전기음성도 값은 https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativities_of_the_elements_(data_page)를 참조하기 바란다.
화학 시험대비를 위해선 전기음성도와 원소는 20번까지 외워야 한다. 전기음성도는 소수점 아래 두 번째 자리에서 반올림한 수치만 외워도 시험보는 데는 문제 없다.
F가 4.0, B까지 0.5씩 줄어든다고 외우면 B ~ F까지는 쉽게 외울 수 있다. Li과 Be도 거의 1.0 1.5에 가깝다.
외우면 도움 되는 전기음성도 순서는 다음과 같다.
F > O > Cl > N > S > C > H > P > B
플산염질황탄
수인붕규알베
마카리나칼
4. 세부 내용
전기음성도는 절댓값이 아닌 상댓값으로 규정되므로 한 원소에 임의의 값을 정하고 그 원소와의 상대적 차이를 전기음성도로 정의한다. 폴링(Pauling, L.)이 제시한 전기음성도에서 수소의 전기음성도를 2.10로 정의[3]했으며, 이후 2.20으로 재정의[4]되었다. 수소의 전기음성도 2.20을 기준으로 타 원소들과의 결합의 이온성을 따져 전기음성도의 차이를 알아내어 특정 원소의 전기음성도를 결정한다. 그럼에도 불구하고 한국 화학 교육과정에서는 여전히 수소 2.10을 표준으로 한다. 또, 교육과정에서는 플루오린의 전기음성도 4.0을 기준으로 삼았다고 되어 있는데, 잘못된 정보이다. 플루오린의 전기음성도는 3.98이며 기준 원소도 아니다.같은 족에서는 원자번호가 커질수록 전기음성도는 낮아지고, 같은 주기에서는 원자번호가 커질수록 전기음성도가 커진다. 즉, 주기율표 상에서 오른쪽으로 갈수록 커지고 아래로 갈수록 작아지는 것이다. 이는 같은 주기에서 원자 번호가 커지면 핵과 전자 사이 인력이 증가해 전기음성도 세기가 커지고, 같은 족에서 원자 번호가 커지면 핵과 전자 사이의 인력이 감소해 전기음성도 세기가 작아지기 때문이다.
5. 극성과 비극성
생화학에서는 H(수소)와 C(탄소)는 비슷하다고 보고 비극성 공유결합으로 다룬다.물(H2O)에서 처럼 H(수소)와 O(산소)는 극성 공유결합을 보여준다. 극성 공유결합은 전기음성도에서 온전한 전하를 띄는 이온화 에너지의 중간 형태로 이해해 볼 수 있는 부분 전하(electric charge)를 보여줄수 있다.
6. 관련 문서
[1] 물론 이는 경향일 뿐이며, 정확한 결합의 성질은 분자의 구조와 에너지 준위 등을 종합적으로 분석해야 한다.[2] 물리화학이나 양자화학에서는 밀리컨 전기음성도(= 이온화 에너지와 전자친화도의 평균값)를 선호하는 경우도 있다.[3] Pauling, L. (1932). "The Nature of the Chemical Bond. IV. The Energy of Single Bonds and the Relative Electronegativity of Atoms". Journal of the American Chemical Society. 54 (9): 3570–3582. doi:10.1021/ja01348a011.[4] Zefirov, N. S.; M. A. Kirpichenok; F. F. Izmailov; M. I. Trofimov (1987). Doklady Akademii Nauk SSSR. 296: 883.