1. 개요
水素結合 / hydrogen bondingIUPAC에서는 수소 결합을 전기음성도가 수소보다 높은 원자(수소 결합 주개)와 결합한 수소와, 다른 원자 혹은 원자단(수소 결합 받개) 사이에 작용하는 인력적 상호작용으로 정의하고 있다.[1] 그러나 고등학교 과정, 심지어 화학이나 생물학 전공자들 사이에서도 F, O, N에 달린 H가 또다른 F, O, N과 상호작용하는 것만을 수소 결합으로 생각하는 경우가 흔하다. 이러한 경우가 대부분 강한 수소 결합을 하는 경우가 많고, 이 외의 경우 수소 결합이 존재하는지 혹은 얼마나 강한지를 직관적으로 파악하기가 굉장히 어려우며, 수소 결합이 존재하더라도 그로 인한 성질을 뚜렷하게 나타내는 경우가 많이 없기 때문이다.
보통 결합이라고 하면 원자 간 상호작용을 말하지만, 수소 결합은 분자간 상호작용으로 분류하는 것이 일반적이다. 이는 대개 수소 결합이 분자, 혹은 독립된 원자단 사이에서 작용하며, 그 세기 또한 분자 간 상호작용의 그것에 근접하기 때문이다. 그러나 수소 결합은 흔히 고등학교 과정에서 강한 부분 전하로 인한 극성 상호작용의 일종으로 설명하는 것과 달리, 실질적인 오비탈 상호작용이 관여되어 있으며, 일종의 부분적인 공유 결합이 형성되는 것으로 보는 것이 정확하다.
이런 저런 이유에서 수소결합은 사실상 화학 , 물리, 생화학등 거의 모든 결합 작용 및 반응에서 기초중의 기초로 이해해볼 필요가 있다. 즉 생명체의 기본 골격(back bone)이 되어주는 C-H 결합 또한 이러한 이유에서 수소 결합으로 이해해 볼 수 있을 뿐 만 아니라 C-H가 O-H 와 N-H와의 결합에너지 우열에서 주고받게 상황까지 고려해본다면 친핵체(친전차체) 결합처럼 기타 다른 반응이나 결합과도 무관하지 않게된다.
2. 세기
분자 간의 수소결합 에너지는 1-100 kJ/mol 정도로, 일반적으로 전형적인[2] 수소 결합은 다른 분자 간 상호작용에 비해 강한 편이다.2.1. 전기음성도
F > O > N > C 순서이다.3. 예시
- DNA 이중나선: A-T, G-C간의 상보적 결합으로 인해 서로 짝이 맞는 염기쌍만이 붙는다.[3] A-T사이에는 2개, G-C사이에는 3개의 수소 결합이 있다.
이 경우에도 카보닐기(C=O)와 아민기(NH2)의 수소결합과 , 질소(N)와의 수소(H)결합이 2중 또는 3중 결합이 작용한다. - 단백질: 단백질의 alpha-helix, beta-sheet 등의 구조들이 peptide bond 사이의 수소 결합으로 인해 나타나며, 3차 구조의 결정 또한 수소 결합이 상당히 기여한다.
- 카복실산: 특히 간단한 카복실산의 경우 비극성 용매 하에서 2개의 -COOH기 간의 수소결합으로 이합체를 만들어 끓는점 오름/어는점 내림, 삼투압 등이 감소한다.
- 물의 성질: 물은 비슷한 분자량의 분자들에 비해 압도적으로 높은 끓는점과 녹는점을 갖고, 높은 비열이나 표면장력, 기화열 및 액화열 등을 갖는다.