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공유 결합

몇 개의 원자가 결합하여 분자가 되는 것이 있다. 이때 분자 안에서의 원자의 결합은 이온 결합 때와 같이 음과 양의 전기가 서로 끌어당겨 이루어지는 것이 아니다. 이러한 결합은 어떻게 하여 생기는 것일까?

단일 결합

수소 원자 2개가 결합하는 경우와 같이 전자쌍을 1개 공유한 형태의 결합을 단일 결합이라고 한다. 이것은 1s오비탈끼리의 조합으로 이루어져 있다. 수소와 같이 같은 종류의 원자로 된 분자가 아니라, 다른 종류의 원자로 된 분자도 공유 결합을 만든다. 플루오르나 산소가 수소와 결합하여 플루오르화 수소나 물이 될 때는 s와 p의 오비탈이 포개어진다. 플루오르나 산소의 2p오비탈에는 전자가 1개 들어 있는데, 이러찬 전자를 '부대 전자'라고 한다. 또, 수소의 1s오비탈에도 부대 전자가 있으므로 양쪽의 부대 전자끼리 공유 전자쌍을 만든다. 이때, 수소 원자의 1s오비탈과 플루오르 또는 산소의 2p오비탈이 포개진 것을 2원자를 묶는 축에 수직인 면으로 자르면 그 단면은 원형으로 되어 있다. 이러한 결합을 σ결합이라고 하며, 이 결합에 관계한 전자를 σ전자라고 한다. 또 σ결합은 p오비탈들끼리 편성할 때에도 생긴다.

플루오르화 수소 HF

－水素 HF 수소 원자의 1s 오비탈은 부대 전자이다. 이 부대 전자와 플루오르 원자의 L껍질의 2pz 오비탈의 부대 전자가 전자쌍을 만들어 공유 결합이 생긴다. 2원자의 전자의 공유로 분자가 생기므로 형태는 직선형이 된다.

물

H2O 산소 원자는 L껍질에 6개의 원자가 전자를 가지고 있다. 그 중 2s 오비탈의 2개는 전자쌍으로 되어 있는데, 2py,와 2pz의 오비탈에 있는 2개의 전자는 각각 부대 전자가 된다. 이 2개의 부대 전자는 1개의 수소 원자의 1s오비탈의 부대 전자 사이에 각각 vσ결합의 공유 결합을 만든다. 2py와 2pz의 오비탈은 90˚의 각도를 갖게 되어 있으나, 수증기 상태의 물 분자의 구조는 2개의 H와 O가 만드는 각도가 104˚30'이다. 이와 같이, 결합각(원자가 각이라고도 한다)이 90°보다 큰 것은 H－O사이의 결합 거리가 짧으므로 수소 원자들 사이의 반발력이 작용하기 때문이다.

암모니아

NH3 질소 원자의 L껍질에 있는 5개의 원자가 전자 중 2s 오비탈의 2개는 전자쌍을 만들지만, 나머지 3개의 전자는 2py, 2pz, 2px에 1개씩 부대 전자로 들어가 있기 때문에 각각 1개의 수소 원자의 1s오비탈의 부대 전자 사이에 공유 전자쌍σ결합을 만들고 있다. 따라서, 분자의 형태는 질소 원자를 꼭지점으로 하는 삼각뿔이 된다.