원자들은 왜 서로 결합할까?

전자는 원자들을 묶어주는 풀과 같다

원자들은 다른 원자들과 결합을 이룰 수 있다. 수소 원자 두 개가 만나면 서로 결합하는데, 이 원자들의 집합을 수소 분자라고 한다. 지구 온난화의 주범으로 여겨지는 이산화탄소는 탄소 원자(C) 하나와 산소 원자(O) 두 개가 결합을 이뤄 이뤄진다. 이때 탄소 원자 하나가 두 개의 산소 원자와 결합하며, 산소 원자끼리는 떨어져 위치하게 된다. 

수소 원자가 수소 분자를 이룰 때 생기는 오비탈과 전자의 상태.

분자를 이루면서 전자의 에너지들은 어떻게 변할까? 두 수소 원자가 결합하면 주양자수(principal quantum number, n)가 1인 오비탈 두 개가 서로 상호작용을 하게 되며, 양자역학 계산을 해보면 하나의 준위는 낮아지고, 다른 하나는 높아지게 된다. 낮아진 오비탈을 결합 오비탈(bonding orbital), 높아진 오비탈을 반결합 오비탈(anti-bonding orbital)이라고 부른다. 우리가 높은 산을 오르는 것이 힘들고 내려오는 것이 편하듯, 전자 역시 낮은 에너지 준위를 채우려고 하는 경향이 있다. 따라서 수소 원자 2개가 갖고 있는 전자 2개는 낮아진 에너지 준위를 꽉 채우게 된다. 이렇게 되면 원자가 서로 떨어져 있을 때에 비해서 에너지가 낮고, 바꿔 말해 더 안정하다. 두 인접한 원자가 전자 2개를 공유하기 때문에 공유 결합을 이룬다고 말한다. 만약 여러 원자들이 결합하게 된다면, 마찬가지로 결합 오비탈과 반결합 오비탈들이 여럿 생기게 될 것이다.

대표적인 반도체 물질인 실리콘(silicon)은 주기율표에서 Si이라고 적혀 있는 원자들로 이루어져 있다. 실리콘의 원자번호는 14이니까 양성자가 14개 있고, 같은 수의 전자가 있음을 알 수 있다. 대부분의 실리콘 원자는 중성자가 14개가 있다. 주기율표를 보면 실리콘 원자는 3번째 줄에 있으며, 4번째 줄에서는 왼쪽에서 4번째에 위치하게 된다. 여기서 10개의 전자는 너무 낮은 곳에 있어서 원자 주위를 벗어나기 어렵다. 반면, 높은 에너지를 가지는 4개의 전자는 다른 원자들과 결합을 이룰 수 있다. 예를 들어서 실레인라고 불리는 분자는 실리콘 원자에 수소 원자 4개가 결합함으로써 만들어진 분자이며, 정사면체를 이루게 된다. 실리콘 원자는 4개의 결합에 전자를 하나씩 나눠주는데, 따라서 결합마다 1개의 전자를 주게 된다. 인접한 수소 원자 역시 마찬가지로 1개의 전자를 주기 때문에, 결합당 총 2개의 전자가 있게 된다. 앞서 설명했듯 결합을 만드는 과정에서 전자의 에너지가 원자 하나에 몰려있을 때에 비해서 낮아지게 되고, 이로써 원자들이 다른 원자들과 결합하게 된다. 어찌 보면 전자가 원자들을 묶어주는 풀과 같은 역할을 하고 있는 셈이다.

(좌) 실레인의 분자 구조와 (우) 실리콘의 원자 구조. 일부분만 그렸고 나머지는 모두 삭제했다.

실리콘 원자가 수소 원자 대신 실리콘 원자와 결합할 수 있을까? 실레인에서 수소를 모두 실리콘을 바꿔보자. 그러면 원래부터 실리콘이었던 원자는 주변의 네 개의 실리콘 원자와 공유 결합을 할 수 있다. 수소를 실리콘으로 바꾼 원자들은 결합이 하나밖에 없기 때문에 각각 결합을 할 수 있는 전자가 3개가 있는 상황이다. 실리콘 원자를 추가로 넣어주면 충분히 결합하지 않은 원자들과 결합을 만들 것이라 예상할 수 있다. 무한히 많은 실리콘 원자들을 넣어주면 모든 실리콘 원자가 4개의 실리콘 원자와 결합할 것이고, 트랜지스터에 쓰이는 그 실리콘이 된다.