화합물

화합물

       chemical compound , 化合物

요약

    화합물은 유기화합물과 무기화합물로 나눌 수 있다. 생명체를 구성하는 대부분의 물질은 유기화합물로 지방·단백질·탄수화물도 여기에 포함된다. 무기화합물은 보통 탄소를 제외한 둘 이상의 원소가 결합되어 있는 화합물이다. 즉, 2성분 화합물인 염화나트륨은 금속 원소인 나트륨과 비금속 원소인 염소로 이루어져 있다. 화합물은 화학반응성에 따라 분류할 수 있다. 일부 화합물은 많은 금속을 부식시키고 그 과정에서 수소 기체를 발생시키는데 이를 산이라고 한다. 염기는 산과 반대되는 화학적 작용을 하는 화합물이다.

 또다른 분류 방법은 화학결합 형태에 의한 분류로 공유결합과 이온결합이 있다.

많은 광물은 이온결합 화합물로, 주로 단단하고 녹는점이 높은 안정한 물질이다.

                 공유결합 화합물은 보통 녹는점이 낮은 액체나 고체이다. 

목차

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                 수백만 가지의 화합물이 존재하는데 각각은 고유한 성질을 지니고 있다.

2개의 수소 원자가 하나의 산소 원자에 결합되어 있는 물에서부터 수천 개의 원자로 이루어진 핵산에 이르기까지 화합물의 복잡성은 다양하다. 화합물은 색, 상태, 화학적 성질이 다양하다. 대부분의 물질들은 여러 가지 화합물의 혼합물이다. 보통 이들로부터 여과·증류 같은 물리적 분리과정을 통해 순수한 화합물을 얻을 수 있다. 화합물은 화학반응을 통해 구성성분 원소로 분해될 수 있다.

화합물을 분류하는 방법은 여러 가지가 있다.

그 첫번째의 분류로서 가장 일반적인 것은 유기화합물과 무기화합물로 나누는 것이다. 한때는 화학자들은 탄소를 포함하고 있는 화합물은 유기물(살아 있거나 전에 살았던)에서만 얻을 수 있는 것으로 믿었다. 지금은 사실이 아닌 것으로 알려졌지만, 주로 탄소 원자에 근거한 물질들과 관련 있는 화학의 부류를 유기화학이라고 한다. 탄소 원자는 다른 탄소 원자 및 다른 원소와 공유결합을 형성할 수 있는 유일한 원소이다.

원자는 양전하를 띠고 있는 핵과 핵 주위를 돌며 음전하를 띤 전자로 이루어져 있다. 두 원자가 2개의 전자를 공유할 때 공유결합이 형성된다. 탄소 원자는 그 원자구조 때문에 전자를 얻거나 잃는 것보다 전자를 공유하기가 더 쉽다. 탄소 원자는 4부분에서 결합할 수 있다. 탄소 원자는 다른 탄소 원자와 결합함과 동시에 다른 원소나 화합물에 연결될 수 있기 때문에 분자량이 매우 다양한 분자가 존재한다. 화학자들은 탄소를 제외한 알려진 원소로 이루어진 모든 화합물들보다 최소한 10배나 많은 탄소 화합물을 확인했다.

탄소 화합물은 주로 탄소에 수소·산소·질소·염소·황 등이 결합해 이루어진다(화학결합).

생명체를 구성하는 대부분의 물질은 유기화합물로 식품의 주성분인 지방·단백질·탄수화물도 여기에 포함된다. 또한 헤모글로빈·엽록소·효소·호르몬·비타민 등 생명에 꼭 필요한 물질들의 구성성분이다. 우리가 사용하는 많은 물질들도 유기화합물이 중심이 되는데, 여기에는 천연·합성 섬유, 대부분의 연료, 약, 플라스틱과 수많은 다른 물질들이 포함된다.

유기화합물들은 조성 및 구조에 따라 몇 가지의 범주로 다시 분류된다.

최대한의 수소 원자를 포함하고 있는 화합물은 포화 탄화수소라고 하며 그 이름에는 '-안'(-ane)이라는 접미어를 붙인다. 비고리 화합물은 탄소 원자가 선형이나 가지를 친 형태로 서로 결합되어 있다. 한편 고리 화합물은 원자열의 양쪽 끝이 서로 이어져 형성되는 고리 구조로 되어 있다. 비고리 구조를 갖는 포화 탄화수소 화합물은 알칸이라고 하며, 고리 구조를 갖는 포화 탄화수소들은 시클란이라고 한다.

수소 원자가 하나 부족한 탄화수소는 알킬에서와 같이 '-일'(-yl)이라는 접미어를 붙인다. 단일 공유결합 외에 유기화합물은 여러 쌍의 전자로 연결될 수도 있다. 이중결합이 있는 화합물을 알켄이라고 하고 삼중결합이 있는 화합물은 알킨이라고 한다. 불포화 결합이 있는 화합물의 중요한 한 부류는 고리 화합물인 방향족 탄화수소이며 가장 간단한 예로 벤젠을 들 수 있다(불포화 탄화수소).

유기화합물은 석유·석탄·식물 같은 천연 공급원으로부터 유도된다.

이들은 분자구조를 재배열하거나 작은 분자들로부터 커다란 분자를 만드는 화학적 과정을 통해 합성될 수도 있다. 때로 공유결합을 통해 수천에서 수백만 개의 원자로 이루어진 커다란 분자들이 만들어지는데, 이러한 거대분자들을 중합체라고 한다. 천연에서 볼 수 있는 중합체로는 핵산에 있는 단백질을 들 수 있다. 합성 중합체들은 플라스틱 산업의 중추적 역할을 한다. 천연 또는 합성 탄화수소로부터 유기 생성물을 얻기 위해 증류, 결정화, 용매, 흡착, 전기장 이용 등의 여러 가지 분리법이 이용된다.

대부분의 유기화학반응은 가역반응(반응의 생성물로부터 원래의 반응물이 얻어질 수 있음)이므로 유기물질의 분자구조를 밝히기가 비교적 쉽다.

그 과정을 살펴보면 화학자들은 알려져 있는 반응을 통해 구조가 알려진 작은 분자가 되도록 단계적으로 분자를 쪼갠다. 연구대상 물질로부터 나오는 빛의 흡수나 자기 형태를 분석할 수 있는 전자장치를 이용해 분석할 수도 있다. 화학자들은 작은 유기 분자들로부터 원래의 물질을 다시 만들어서 그들이 발견한 사실의 정확성을 입증할 수 있다. 유기화합물을 포함한 화학반응처럼 공유결합이 끊어져야 하는 경우에는 상온에서의 반응속도는 느리다.

온도가 10℃ 증가할 때마다 반응속도는 2배 정도 증가하기 때문에 대부분의 유기반응은 높은 온도에서 이루어진다. 매우 높은 온도에서 반응이 더 느리게 진행된다면 반응을 촉진시키기 위해 촉매를 이용한다. 유기반응에는 많은 형태가 있다. 가장 중요한 반응 형태 중 하나는 산-염기반응으로 전자가 없는 수소 이온(양성자)이 산에서 염기 쪽으로 이동하는 반응이다. 첨가반응은 한 분자가 다른 분자에 첨가되어 새로운 분자 하나가 만들어지는 것이다.

치환반응은 탄소 원자에 결합되어 있는 수소가 다른 물질로 치환되는 반응으로, 한 분자 성분이 다른 것으로 바뀌는 경우도 치환반응이다. 가수분해는 물과 반응하여, 열분해는 열에 의해 각각 분자를 분해하는 것이다. 축합반응은 물이나 알코올 같은 분자가 생성되면서 탄소-탄소 결합이 생겨나는 반응이다. 중합은 작은 분자들이 많이 모여 분자량이 큰 화합물을 만드는 반응이며, 분자 내 자리옮김 반응은 분자 내에서 원자나 원자단이 재배열하는 반응이다.

무기화합물은 보통 탄소를 제외한 둘 이상의 원소가 결합되어 있는 화합물로 수많은 다른 구조로 존재하며, 구성원소에 따라 분류된다.

예를 들어 2성분 화합물인 염화나트륨(식염)은 금속 원소인 나트륨과 비금속 원소인 염소로 이루어져 있다. 염화물들은 화합물의 한 부류를 이룬다. 다른 부류로는 플루오르화물이 있는데, 그 예로 플루오르화나트륨(충치 예방을 위해 치약에 첨가되는 화합물)을 들 수 있다. 3개 이상의 원소로 이루어진 무기화합물도 이와 유사하게 분류되는데, 그 예로 금속·비금속 원소와 함께 산소를 포함하고 있는 황산염과 규산염이 있다.

유기금속 화합물에서는 유기화합물과 무기화합물 사이의 구분이 없어진다. 무기화합물에서 흔히 볼 수 있는 여러 금속 원자들은 유기화합물에서도 볼 수 있다. 혈액에서 산소를 운반하는 헤모글로빈은 탄소를 포함하는 분자에 철 원자가 결합되어 있는 형태이다. 다른 예로 녹색식물에 꼭 필요한 엽록소를 들 수 있는데 이것은 유기 분자 내에 마그네슘 원자를 가지고 있다.

대부분의 화합물에서 원소들은 정수비로 결합한다.

예를 들어 산화알루미늄(Al₂O₃)에서 알루미늄 원자와 산소 원자는 2 대 3의 비로 결합된다. 비화학량론적 화합물이라고 하는 일련의 화합물에서는 그 비가 정확한 정수가 아니다. 여기에 속하는 화합물로는 일부 금속의 산화물과 황화물이 있다. 예를 들어 황화아연(ZnS)에서는 아연 원자의 수가 황 원자의 수보다 약간 더 많다. 이들 화합물은 특수한 전기전도성 때문에 고체 상태의 전자장치에 유용하다.

특별한 부류의 화합물인 배위화합물은 리간드(배위자)라고 하는 비금속 원자에 의해 금속 원자가 둘러싸여 있고 이들이 서로 결합하여 이루어진다. 결합하는 두 원자들 중 한 원자가 일방적으로 전자를 제공하기 때문에 이들 사이의 결합은 전형적인 공유결합은 아니다.

일산화탄소가 헤모글로빈에 있는 철 원자와 결합하여 배위화합물을 형성하는데, 이렇게 되면 헤모글로빈은 산소를 운반하지 못하게 된다.

화합물을 분류하는 방법 가운데 중요한 것으로 화학반응성에 따라 분류하는 것을 들 수 있다. 일부 화합물은 많은 금속을 부식시키고 그 과정에서 수소 기체를 발생시키는데 이를 산이라고 한다. 염기는 산과 반대되는 화학적 작용을 하는 화합물이다. 화학반응을 통해 염기는 산을 중화시키고 물과 염을 생성한다.

화학 반응성에 따라 분류하는 다른 예로 산화환원반응에서 화합물의 작용에 바탕을 두고 있는 것이 있다. 원소에서 전자를 제거하면 그 원소는 산화되고 전자를 첨가시키면 환원된다. 이런 전자의 교환을 원자가의 변화로 설명하기도 한다. 이 산화-환원 반응은 많은 화학반응의 기초가 된다.

화합물을 분류하는 또다른 방법은 이들 화합물을 결합시키는 화학결합 형태에 의한 분류이다.

가장 흔한 결합은 위에서 논의한 공유결합이다. 많은 무기화합물들은 이온결합으로 결합되기도 한다. 일부 원소의 경우 원자핵이 전자를 끌어당기는 정도가 다른 원소보다 크다. 결과적으로 염소 같은 원자는 나트륨 원자에서 전자를 빼앗아 음전하를 띤 염소 이온이 된다. 따라서 염화나트륨은 이온결합 화합물이다. 이온결합 화합물은 정전기적 인력으로 서로 결합되어 있기 때문에 공유결합 화합물과는 보통 다른 성질을 갖는다.

많은 광물은 이온결합 화합물로, 주로 단단하고 녹는점이 높은 안정한 물질이다. 이와는 대조적으로 공유결합 화합물은 보통 녹는점이 낮은 액체나 고체이다. 이 두 결합 형태 사이의 구분이 절대적인 것은 아니며, 많은 공유결합은 부분적으로 이온결합 성질이 있다. 공유결합 화합물과 이온결합 화합물이 같이 존재할 수도 있다. 공유결합된 몇 개의 원자로 이루어진 많은 안정한 이온종은 화합물의 중요한 한 부류를 이룬다.

예를 들어 황산 이온은 중심의 황 원자와 공유결합되어 있는 4개의 산소 원자로 이루어져 있다. 이 원자단은 2가의 음전하를 띠고 있으며 나트륨·마그네슘처럼 전기적으로 양성인 원소와 황산염을 형성한다. 이런 화합물들의 반응에서 황산 이온은 변화되지 않고 분자 내의 이온결합만이 영향을 받는다