Ⅲ-1. 화학 결합

09. 공유 결합과 금속 결합

정답과 해설

[정답] ③

주어진 A~C는 H, F, Cl이므로 원자 반지름의 크기는 Cl > F > H이다. 또한 H는 1주기 1족 원소, F와 Cl은 각각 2, 3주기, 17족에 해당하므로 화합물의 결합 길이로부터 A는 H, B는 Cl, C는 F임을 알 수 있다.

해설

ㄱ. AC(HF)는 각각 원자가 전자 1개와 7개로 공유 전자쌍 1개를 가진 공유 결합 화합물이다.

ㄴ. 쌍극자 모멘트의 크기는 부분 전하의 크기와 결합 길이의 곱과 같다. 따라서 AB는 약 0.2 × 128 = 약 25.6이고, AC는 약 0.4 × 93 = 약 37.2이므로 쌍극자 모멘트는 AC가 AB보다 크다.

ㄷ. AC의 전기 음성도 차이가 가장 크고, AB의 전기 음성도 차이가 가장 작으므로 전기 음성도는 C > B > A이다.

바로알기

[정답] ②

비금속 원소의 원자가 극성 공유 결합을 형성할 때 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자쌍을 더 세게 잡아당기므로 부분적인 (-)전하([eqn: delta ^{-}])를 띠고, 전기 음성도가 작은 원자가 부분적인 (+)전하([eqn: delta ^{+}])를 띤다.

해설

② HF에서 F이, HCl에서 Cl가, ClF에서 F이 부분적인 (-)전하를 띠고 있다는 결과를 도출하고 가설이 옳다는 결론을 얻었으므로, 학생 A는 극성 공유 결합에서 전기 음성도가 더 큰 원자가 부분적인 (-)전하를 띤다는 가설을 세우고 탐구 활동을 수행하였다.

① 원자 반지름은 Cl가 F보다 큰데 ClF에서 F가 부분적인 (-)전하를 띠므로 가설의 결론이 옳지 않다.

바로알기

③ ClF에서와 같이 Cl는 자신보다 전기 음성도가 큰 원자와 결합을 하면 부분적인 (+)전하를 띠므로 가설의 결론이 옳지 않다.

④ 원자 간 원자량 차이는 HCl가 HF보다 큰데 전기 음성도 차이는 HF가 HCl보다 크므로 가설의 결론이 옳지 않다.

⑤ 탐구 활동에서 원자 간 전기 음성도 차이에 따른 부분적인 전하의 크기에 대한 결과가 없으므로 가설의 옳고 그름을 판단할 수 없으며, 일반적으로 원자 간 전기 음성도 차이가 커지면 부분적인 전하의 크기는 커지므로 가설의 결론이 옳지 않다.

[정답] ③

N의 원자가 전자 수는 5, H의 원자가 전자 수는 1이므로 N 원자 1개는 H 원자 3개와 각각 전자를 공유하여 결합을 이룬다.

해설

공유 결합에 참여하여 두 원자가 공유하고 있는 전자쌍을 공유 전자쌍이라고 한다. 따라서 [eqn: rm ``NH _{3}]에서 공유 전자쌍 수는 3이다.

[정답] ①

전기 음성도는 비금속 원소가 금속 원소보다 크며, 같은 주기인 경우 원자 번호가 클수록 크고 같은 족인 경우 원자 번호가 클수록 작다. 따라서 A는 Na, B는 Mg, C는 O, D는 F이다.

해설

ㄱ. A(Na)는 1족 원소로 전자 1개를 잃어 +1가의 양이온이 되며, D(F)는 17족 원소로 전자 1개를 얻어 -1가의 음이온이 된다. 따라서 A와 D는 1 : 1의 개수비로 결합하여 이온 결합 화합물이 되므로, A와 D가 결합한 화합물의 화학식은 AD이다.

ㄴ. B(Mg)는 금속 원소이고 D(F)는 비금속 원소이다. 따라서 B와 D가 결합하면 이온 결합 화합물이 생성된다.

바로알기

ㄷ. C(O)는 16족 원소로 원자가 전자 수가 6개로, [eqn: rm C _{ 2}]는 이중 결합을 가지므로 [eqn: rm C _{ 2}] 분자에는 2개의 공유 전자쌍이 있다.

[정답] ⑤

ㄴ. (나)는 [eqn: rmOF _{2}]이고, (나)를 구성하는 A는 [eqn: rmO]이고, C는 [eqn: rmF]이다. 전기 음성도는 [eqn: rmF]가 [eqn: rmO]보다 크므로 [eqn: rmO]의 산화수는 +2이다.

해설

ㄷ. C는 [eqn: rmF]이고, D는 [eqn: rmNa]이다. 따라서 C와 D는 1 : 1의 원자 수의 비로 결합하여 안정한 화합물 [eqn: rmNaF]를 형성한다.

ㄱ. [eqn: rmO], [eqn: rmF], [eqn: rmNa], [eqn: rmMg]으로 이루어진 물질 중 구성 원자의 몰수비가 1 : 1인 경우는 [eqn: rmNaF] 또는 [eqn: rmMgO]이다. 화학식의 구성 원자 수가 3개인 경우는 [eqn: rmNa _{2} O], [eqn: rmMgF _{2}], [eqn: rmOF _{2}]이다. (나)~ (라)에서 개수의 비가 2인 것은 산화수의 절댓값이 1이고, 개수의 비가 1인 것은 산화수의 절댓값이 2이므로 (나)와 (다)에서 공통으로 들어 있는 C는 [eqn: rmF]이고, (나)와 (라)에서 공통으로 들어 있는 A는 [eqn: rmO]이다. 이로부터 (가)는 [eqn: rmMgO]이고, B는 [eqn: rmMg]이다. 또 (나)는 [eqn: rmOF _{2}], (다)는 [eqn: rmMgF _{2}], (라)는 [eqn: rmNa _{2} O]이다.

바로알기

[정답] ①

주기율표에서 A는 H, B는 C, C는 O, D는 F, E는 Mg이다. 따라서 (가)는 HF, (나)는 [eqn: rmH _{ 2}O], (다)는 [eqn: rmCF _{ 4}], (라)는 [eqn: rmMgF _{ 2}]이다.

해설

ㄱ. 비금속 원소와 비금속 원소는 공유 결합을 형성한다. 따라서 공유 결합 화합물은 HF, [eqn: rmH _{ 2}O], [eqn: rmCF _{ 4}]로 3가지이다.

ㄴ. (나) [eqn: rmH _{ 2}O]은 산소에 있는 2개의 비공유 전자쌍에 의해 굽은 형 구조를 이루어 결합각이 104.5°이고, (다) [eqn: rmCF _{ 4}]는 중심 원자인 C에 공유 전자쌍만 4개이므로 정사면체형 구조를 이루어 결합각이 109.5°이다. 따라서 결합각은 (나)가 (다)보다 작다.

바로알기

ㄷ. 2족 금속인 E(Mg)는 원자가 전자 2개를 잃고 +2가 양이온이 되고, 17족 비금속인 D(F)는 전자 1개를 얻어 –1가 음이온이 된다. 따라서 이들 원소들로 이루어진 화합물 (라)는 [eqn: rmED _{ 2}]([eqn: rmMgF _{ 2}])가 되고 [eqn: x]는 [eqn: y]보다 작다.

[정답] ⑤

ㄱ. 루이스 전자점식으로 보아 [eqn: rm C]는 홀전자가 2개이다. 따라서 [eqn: rmC _{2}]는 이중 결합으로 이루어지므로 [eqn: rmC _{2}]의 공유 전자쌍은 2개이다.

해설

ㄴ. 루이스 전자점식으로 보아 [eqn: rm A]는 1족 금속 원소인 [eqn: rm Li]이고, [eqn: rm D]는 17족 비금속 원소인 [eqn: rm F]이므로 [eqn: rm A]와 [eqn: rm D]는 이온 결합을 한다.

ㄷ. [eqn: rmBD _{3}]의 공유 전자쌍이 3개이고 비공유 전자쌍이 없다. 따라서 [eqn: rmBD _{3}]는 대칭 구조인 평면 삼각형 모양이므로 쌍극자 모멘트는 0이다.

[정답] ⑤

염화 나트륨(NaCl)은 이온 결합 화합물이고, 설탕(C12H22O11)은 공유 결합 화합물이다.

해설

⑤ 이온 결합 화합물인 NaCl은 물에 녹아 양이온과 음이온으로 나뉘어지므로 전기 전도성이 있지만 설탕은 물에 녹아도 분자로 존재하므로 전기 전도성이 없다. 또한 NaCl은 Na 원소를 포함하고 있으므로 불꽃 반응의 불꽃색이 노란색이지만 설탕은 불꽃색이 없다. 따라서 소금과 설탕은 (나)와 (다) 실험으로 구별할 수 있다.

NaCl과 설탕은 고체 상태에서 모두 전기 전도성이 없으므로 실험 (가)로는 두 물질을 구별할 수 없다.

바로알기

[정답] ⑤

(가)는 이온 결합 화합물을 생성하는 과정이고, (나)는 공유 결합 화합물을 생성하는 과정이다.

해설

ㄱ. (가)에서 생성물을 구성하는 이온은 가장 바깥 전자껍질에 8개의 전자가 채워져 있으므로 옥텟 규칙을 만족한다.

ㄴ, ㄷ. (나)의 생성물은 공유 결합 화합물로, C는 2개의 B와 각각 1쌍의 전자쌍을 공유하여 옥텟 규칙을 만족한다.

[정답] ④

[eqn: rmA ^{2+}]은 A가 전자 2개를 잃어 생성되므로 A의 원자가 전자는 2개이고, [eqn: rmB ^{2-}]은 B가 전자 2개를 얻어 생성되므로 B의 원자가 전자는 6개이다. C는 전자 1개를 서로 공유하여 분자를 형성하므로 C의 원자가 전자는 7개이다.

해설

ㄱ. AB는 [eqn: rmA ^{2+}]과 [eqn: rmB ^{2-}]이 이온 결합하여 이루어진 물질이므로 액체 상태에서 전기 전도성이 있다.

ㄷ. A는 전자 2개를 잃어 [eqn: rmA ^{2+}]이 된다. C는 원자가 전자가 7개이므로 전자 1개를 얻어 [eqn: rm C ^{-}]이 된다. 따라서 A와 C가 화합물을 형성할 때는 [eqn: rmA ^{2+}]과 [eqn: rm C ^{-}]이 1:2의 개수비로 결합하므로 안정한 화합물은 [eqn: rmAC _{2}]이다.

ㄴ. B는 원자가 전자가 6개이므로 [eqn: rm B _{2}]는 이중 결합을 형성하고, 공유 전자쌍이 2개이다. C는 원자가 전자가 7개이므로 [eqn: rm C _{2}]는 단일 결합을 형성하고, 공유 전자쌍이 1개이다.

바로알기

[정답] ③

주어진 화합물 ABC를 구성하는 입자의 전자 배치로부터 A 양이온의 전자 수가 2개이므로 A는 전자가 3개인 리튬([eqn: rmLi])이다. 마찬가지로 B는 산소([eqn: rmO])이고, C는 수소([eqn: rmH])이다. 이로부터 X는 [eqn: rmLi] 2개와 [eqn: rmO] 1개로 이루어진 [eqn: rm Li _{2} O]이고, Y는 [eqn: rmO] 1개와 [eqn: rmH] 2개로 이루어진 [eqn: rmH _{2} O]이다.

해설

ㄱ. Y는 비금속 원자가 전자쌍을 공유하여 형성된 공유 결합 화합물이다.

ㄷ . [eqn: rmH _{2} O]에서 [eqn: rmO] 원자 주위에는 전자가 총 8개이므로 옥텟 규칙을 만족한다.

ㄴ. X는 이온 결합 화합물이므로 액체 상태에서 전기 전도성이 있지만, Y는 공유 결합 화합물이므로 액체 상태에서 전기 전도성이 없다.

바로알기

[정답] ①

(가)는 [eqn: rmCO _{2}](O=C=O), (나)는 [eqn: RMHCN](H-C≡N)이다.

해설

② (가)에는 2중 결합 2개가 존재하고, (나)에는 3중 결합이 존재한다.

③ (가)와 (나)는 전기 음성도가 서로 다른 원자들이 결합되어 있으므로 극성 공유 결합을 가진다.

④ (가)와 (나)의 중심 원자인 C에는 비공유 전자쌍이 없으므로 분자 모양은 직선형이다.

⑤ (가)에는 2개의 2중 결합이, (나)에는 단일 결합과 3중 결합이 있으므로 모두 공유 전자쌍 수는 4이다.

① (가)는 대칭 구조로서 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자이다. (나)는 선형 구조이지만, 전기 음성도가 서로 다른 원소가 결합되어 있으므로 쌍극자 모멘트가 0이 아닌 극성 분자이다.

바로알기

[정답] ④

화합물 AB에서 공유 전자쌍 수가 1이고 비공유 전자쌍은 A는 0, B는 3이므로 A는 1주기 1족 원소인 수소(H), B는 2주기 17족 원소인 플루오린(F)이다. 화합물 CD에서 [eqn: RmC ^{ 2+}]의 전자 수는 10이고 전하는 +2이므로 양성자 수는 12이다. [eqn: RmD ^{ 2-}]의 전자 수는 10이고 전하는 -2이므로 양성자 수는 8이다. 따라서 C는 3주기 2족 원소인 마그네슘(Mg), D는 2주기 16족 원소인 산소(O)이다.

해설

ㄴ. (나)에서 원자 수비가 B : C = 2 : 1이므로 (나)는 [eqn: rmCB _{ 2}]([eqn: rmMgF _{ 2}])인 이온 결합 화합물이다. 이온 결합 화합물은 액체 상태에서 전기 전도성이 있다.

ㄷ. (나)에서 C 1개는 전자 2개 잃어 [eqn: RmC ^{ 2+}]([eqn: RmMg ^{ 2+}])이 되고, B 1개는 전자 1개를 받아 [eqn: RmB ^{ -}]([eqn: RmF ^{ -}])가 되므로 (나)에서 B와 C는 모두 Ne의 전자 배치를 갖는다.

ㄱ. (가)에서 원자 수비가 A : D = 1 : 1이므로 (가)는 [eqn: rmA_{ 2}D _{ 2}]([eqn: rmH_{ 2}O _{ 2}])이며 루이스 구조식은 이므로 비공유 전자쌍 수는 4이다.

바로알기

[정답] ④

X의 원자가 전자 수는 5, Y의 원자가 전자 수는 7이므로 X는 2주기 15족 원소인 N, Y는 3주기 17족 원소인 Cl이다.

해설

ㄴ. (가)에서 X는 3개의 H 원자와 공유 결합하여 가장 바깥 전자껍질에 8개의 전자를 채웠으므로 옥텟 규칙을 만족한다.

ㄷ. X의 원자가 전자 수는 5이므로 2개의 X가 3개의 전자쌍을 공유하여 X[eqn: {}_2]를 형성하므로 X □에는 3중 결합이 있다.

ㄱ. H와 Y는 모두 비금속 원소이고 전자쌍 1개를 공유하여 결합했으므로 HY는 공유 결합 물질이다.

바로알기

[정답] ①

XY에서 X는 +1가의 양이온이므로 주기 1족 원소인 Li이고, Y는 –1기 음이온이므로 2주기 17족 원소인 F이다. [eqn: rmZ _{2} Y _{2}]에서 Z는 Y원자 1개, Z 원자 1개와 각각 1개의 전자쌍을 각각 공유하였으므로 Z는 2주기 16족 원소인 O이다.

해설

ㄱ. XY에서 [eqn: rmY ^{-}]과 [eqn: rmZ _{2} Y _{2}]에서 Y는 모두 18족 원소인 Ne과 전자 배치가 같으므로 옥텟 규칙을 만족한다.

ㄴ. [eqn: rmZ _{2} Y _{2}]는 공유 결합으로 분자를 형성하였으므로 공유 결합 화합물이다.

바로알기

ㄷ. [eqn: rmZ _{2}]의 루이스 전자 점식은 이므로 공유 전자쌍 수는 2, 비공유 전자쌍 수는 4이다. 따라서 [eqn: {공유`전자쌍`수} over {비공유`전자쌍`수} = {1} over {2}]이다.

[정답] ④

ㄴ. [eqn: rm CB _{2}]는 [eqn: rm C ^{2+}]과 [eqn: rm B ^{-}]이 1 : 2의 개수비로 결합한 이온 결합 화합물이다.

해설

ㄷ. 공유 전자쌍 수는 [eqn: rm A _{2}]가 2, [eqn: rm B _{2}]가 1이므로 [eqn: rm A _{2}]가 [eqn: rm B _{2}]의 2배이다.

바로알기

ㄱ. CA에서 C는 전자 2개를 잃고 Ne의 전자 배치를 가지므로 전하가 +2이고, A는 전자 2개를 얻어 Ne의 전자 배치를 가지므로 전하가 -2이다. 따라서 [eqn: m]=2이다.

[정답] ⑤

학생 A. 분자식은 분자를 이루는 원자의 종류와 개수를 나타낸 식이다. 물 분자의 분자식은 H2O이므로 물 분자 1개는 H 원자 2개와 O 원자 1개로 이루어져 있다.

해설

학생 B. 비금속 원소인 수소(H)와 산소(O)는 공유 결합을 형성한다. 물 분자는 O 원자 1개와 H 원자 2개가 각각 전자쌍 1개를 공유하여 생성된 공유 결합 물질이다.

학생 C. 물 분자에서 O 원자는 가장 바깥 전자 껍질에 전자가 8개이므로 옥텟 규칙을 만족한다.

[정답] ②

전자 배치 모형으로 보아 원자 A~D는 각각 A는 산소(O), B는 플루오린(F), C는 나트륨(Na), D는 마그네슘(Mg)이므로 화합물 (가)~(라)는 다음과 같다.

해설

화합물	(가)	(나)	(다)	(라)
화학식	[eqn: rmOF _{ 2}]	[eqn: rm MgO]	[eqn: rm NaF]	[eqn: rmMgF _{ 2}]

ㄷ. (가)에서는 공유 결합에 의해 각 원자는 옥텟 규칙을 만족하고, (라)에서는 이온을 형성하여 각 원자는 옥텟 규칙을 만족한다.

ㄱ. (가)에서 A 즉, O의 산화수는 F이 O보다 전기 음성도가 크므로 +2이고 (나)에서는 -2이다.

바로알기

ㄴ. 이온 결합은 금속 원소와 비금속 원소 사이의 결합이므로 (나), (다), (라) 3가지이다.

[정답] ③

A+과 B-은 각각 Na+, F-이므로 화합물 AB는 NaF이다. C와 D는 각각 H, O이므로 C2D는 H2O이다.

해설

ㄱ. C2D(H2O)에서 C(H)와 D(O) 사이에 공유 전자쌍이 1개씩 있으므로 C2D(H2O)의 공유 전자쌍 수는 2이다.

ㄴ. A(Na)는 금속 원소, D(O)는 비금속 원소이므로 A2D(Na2O)는 이온 결합 화합물이다.

ㄷ. B2(F2)에는 단일 결합이 있다.

바로알기

[정답] ②

AB는 LiCl, CDB는 HOCl이다.

해설

ㄴ. AB(LiCl)는 이온 결합 물질이므로 액체 상태에서 전기 전도성이 있다.

ㄱ. A(Li)는 2주기 원소이고, C(H)는 1주기 원소이다.

바로알기

ㄷ. CB(HCl)의 비공유 전자쌍 수는 3, D2(O2)의 비공유 전자쌍 수는 4이다. CB와 D2의 루이스 전자점식은 다음과 같다.