공유 결합의 형성과 에너지

원자 사이에 거리에 따른 에너지 변화 | 공유 결합을 형성할 때 양성자와 전자들 사이에 작용하는 인력과 반발력의 크기는 두 원자가 얼마나 가까이 접근하느냐에 따라 결정된다. 2개의 수소 원자가 공유 결합을 형성할 때 수소 원자들이 너무 멀리 떨어져 있으면 작용하는 인력이 작아 결합이 이루어지지 않으며, 위치 에너지는 0에 가깝다. 그리고 두 소수 원자가 접근하면 인력에 의해 위치 에너지값이 점점 작아지며, 핵간 거리가 74pm 일 때 위치 에너지가 가장 낮아져 안정한 수소 분자(H₂)를 형성한다. 그러나 두 수소 원자핵 사이의 거리가 74pm 보다 더 가까워지면 원자핵 사이의 반발력이 급격하게 커져서 위치 에너지가 증가하여 불안정해진다.

공유 결합 길이와 공유 결합 에너지 | 두 원자가 공유 결합을 형성할 때 원자핵 사이의 거리를 공유 결합 길이 또는 결합 길이라고 한다. 수소 분자에서 결합 길이는 74pm이다. 그리고 수소 원자 2몰이 결합하여 수소 분자 1몰을 만들 때 436kJ/mol의 에너지를 방출한다.

H(g) + H(g) -> H₂(g) + 436kJ

반대로 1몰의 수소 분자에서 수소 원자 사이의 결합을 끊고 2몰의 수소 원자를 만드는 경우에는 436kJ/mol의 에너지를 흡수한다.

H₂(g) + 436kJ -> H(g) + H(g)

이와 같이 공유 결합으로 형성된 기체 상태의 분자 1몰에서 원자 사이의 공유 결합을 끊어 기체 상태의 원자를 만드는 데 필요한 에너지를 공유 결합 에너지 또는 결합 에너지라고 한다. 공유 결합 에너지가 클수록 공유 결합력이 큰 것을 의미하며, 공유 결합력이 크다는 것은 그 결합이 강하다는 것과 그 결합에 의해 형성된 분자가 안정하다는 것을 의미한다.

다중 결합에서 공유 결합 에너지와 공유 결합 길이 | 원자 사이에 다중 결합을 형성하는 경우에는 결합 수가 많아질수록 결합 에너지는 증가하고, 공유 결합 길이는 짧아진다. 다음 표는 C, N  원자로 이루어진 다중 결합의 결합 에너지와 결합 길이를 비교하여 나타낸 것이다.

같은 원소로 이루어진 결합의 경우에 공유 결합 길이와 결합 에너지는 두 원자 사이에 공유된 전자쌍을 나타내는 결합 차수에 의존하므로 결합 차수가 증가하면 공유 결합 길이는 감소하고, 결합 에너지는 증가한다.

공유 결합 길이 : 단일 결합 > 이중 결합 > 삼중 결합

공유 결합 에너지 : 단일 결합 < 이중 결합 < 삼중 결합

평균 결합 에너지 | 분자의 모든 결합은 특정한 값의 결합 에너지를 갖는다. 그런데 분자의 구조가 동일하지 않더라도 동일한 원자 사이의 결합 에너지는 거의 비슷하며, 평군 결합 에너지를 이용하여 여러 종류의 결합을 비교할 수 있다. 다음은 몇 가지 공유 결합에 대하여 평균 결합 에너지와 결합 길이를 나타낸 것이다.