수소결합이란 무엇인가?

수소결합이란 무엇인가?

수소결합(hydrogen bonding)은 정전기에 의해 생기며 쌍극자-쌍극자 상호작용의 특별한 경우로 생각할 수 있습니다. 산소나 질소 등의 음전하성 원자에 수소가 공유 결합되어 있으면 극성 결합으로 인해 수소는 부분적인 양전하를 띄게 됩니다. 이러한 상황은 수소가 탄소에 공유 결합되어 있는 경우에는 일어나지 않습니다. 수소에 있는 이러한 부분적인 양전하는 다른 음전하성 원자 상에 있는 비공유 전자쌍과 상호작용할 수 있습니다. 산소, 질소, 수소들이 수소결합을 형성하면서 직선상에 놓여 있습니다. 배열이 이렇게 되면 수소원자상에 생기는 부분적인 양전하가 최대로 커질 수 있어서, 결과적으로 또 다른 음전하성 원자 상에 있는 비공유 전자쌍과의 상호작용이 최대로 강해질 가능성이 있습니다. 수소에 공유 결합되어 있는 음전하성 원자로 구성되어 있는 작용기를 수소결합 공여체라고 부르기도 하며, 비공유 전자쌍을 제공하여 상호작용이 일어나도록 하는 음전하성 원자는 수소결합 수용체입니다.

물은 수소결합에 작용하는 수소를 2개 가지고 있으며, 산소에는 2개의 비공유 전자쌍이 있어서 여기에 다른 물 분자들이 수소결합될 수 있습니다. 각각의 물 분자는 4개의 수소결합에 관여되어 있습니다. 플루오르화 수소(HF)는 수소결합에 공여체로 작용하는 수소가 1개뿐이지만, 다른 수소에 결합될 수 있는 비공유 전자쌍이 플루오르 상에 3쌍이 있습니다. 암모니아는 수소결합에 제공되는 수소를 3개 가지고 있지만 비공유 전자쌍은 질소에 1개뿐입니다.

위키피디아 수소결합

수소결합에서의 물의 특성

물 분자의 배열은 사면체형입니다. 액체인 물은 얼음 결정을 닮은 수소결합 배열을 취하고 있는데, 각각의 배열에는 물 분자가 100개 정도까지 포함될 수 있습니다. 물 분자들 사이의 수소결합은 얼음 결정의 규칙적인 격자구조에서 더욱 분명하게 볼 수 있습니다. 그러나 액체인 물에서 나타나는 이런 ㅇ형의 수소결합 배열과 얼음 결정 구조 사이에는 몇 가지 차이점이 있습니다. 액체인 물에서는 수소결합이 끊어졌다가 새로 형성됐다가 하는 작용이 지속되고 있습니다. 이와는 대조적으로 얼음 결정은 다소 안정적인 수소결합을 가지고 있으며, 관여되어 있는 분자들의 수도 물론 100개보다 10의 몇 승 배 정도 많습니다. 

수소결합은 보통의 공유결합보다 훨씬 약합니다. O-H 공유결합이 끊어지는 데 필요한 에너지가 460 kj/mol인 반면 물에서의 수소결합 에너지는 약 29 kj/mol 입니다. 비교적 적은 양의 에너지이지만 물의 특성에 막대한 영향을 주기에는 충분한 수치입니다.

전체적인 수소결합 배열의 밀집 상태는 물 분자 내의 것보다 얼음 결정 내의 것이 덜 조밀하기 때문에, 얼음이 액체인 물보다 밀도가 더 낮습니다. 액체인 물은 수소결합 거리가 더 좁기 때문에, 얼음보다 더 밀도가 큽니다. 따라서 얼음 덩어리와 빙산은 물에 뜨게 됩니다. 대부분의 물질들은 얼면 수축됨으로써 엔진 부위가 파열되는 것을 막기 위해 부동액이 필요합니다. 세포 분획을 얻는 실험 방법에서도 세포를 깨기 위해 얼렸다 녹이는 것을 여러 번 반복하는 방법이 사용되는데, 여기에도 동일한 원리가 이용되고 있습니다. 

수소결합은 물이 용매로 작용하는 데에도 역할을 합니다. 극성 용질이 수소결합의 공여체나 수용체로 작용할 수 있다면, 그 용질은 물과 수소결합을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 비특이적인 쌍극자-쌍극자 상호작용에도 관여될 수 있습니다. 알코올, 아민, 카복실산, 에스터 등은 알데하이드 및 케톤 등과 마찬가지로 모두 물과 수소결합을 형성할 수 있으며, 이것들은 수용성입니다.

-출처- Biochemistry 라이프사이언스 생화학편 발췌