수소 결합

자석을 여러 개 흩어놓으면 N극과 S극이 서로 착 달라붙는 모습을 볼 수 있어요. 물 분자(H₂O) 사이에서도 이와 비슷한 일이 끊임없이 일어나요. 다만 자석은 자기력이고, 물 분자끼리는 플러스와 마이너스 전하 사이의 전기적 인력으로 끌어당겨요.

산소 원자는 전자를 탐욕스럽게 끌어당기는 성질인 전기음성도가 아주 강해요. 반면 수소 원자는 산소보다 전자를 끌어당기는 힘이 훨씬 약하죠. 산소와 수소는 전자쌍을 나눠 갖는 공유 결합으로 이어져 있는데, 이 공유 전자쌍이 산소 쪽으로 크게 치우쳐요. 그래서 수소는 부분적인 플러스(δ+), 산소는 부분적인 마이너스(δ-) 전하를 띠게 돼요.

이렇게 플러스 쪽으로 치우친 수소는 옆에 있는 다른 물 분자의 산소를 보고 강하게 이끌려요. 이처럼 전자를 강하게 당기는 산소, 질소, 플루오린과 결합한 수소가 이웃 분자(또는 같은 분자의 떨어진 부분)의 산소·질소 같은 원자를 끌어당기는 힘을 수소 결합이라고 불러요.

물 분자 하나는 최대 네 개의 이웃 물 분자와 동시에 이 결합을 맺을 수 있어요. 물방울이 둥글게 뭉치고 컵 위로 볼록하게 차오르는 표면장력도 수많은 물 분자들이 서로를 꽉 붙잡아 주는 힘에서 나오는 현상이에요.

수소 결합은 원자끼리 전자를 나누어 가지며 단단히 붙어 있는 공유 결합보다는 훨씬 약해요. 하지만 일반적인 분자 사이에 작용하는 미세한 인력인 반데르발스 힘보다는 대체로 강한 편이에요.

이 '적당히 튼튼하면서도 필요할 때 쉽게 풀리는 세기'는 지구 생명체에게 엄청난 축복이에요. 우리 몸의 설계도인 DNA의 이중 나선 구조가 바로 이 수소 결합으로 두 가닥이 단단하면서도 유연하게 연결되어 있거든요.

세포가 유전 정보를 읽거나 새로운 세포를 위해 복제할 때는 지퍼를 열듯 부드럽게 두 가닥으로 갈라져야 해요. 만약 공유 결합처럼 너무 단단했다면 DNA를 열기 위해 엄청난 에너지가 필요했을 테고, 반대로 너무 약했다면 두 가닥이 쉽게 풀려 이중 나선 구조를 안정적으로 유지하기 어려웠을 거예요. 다만 수소 결합은 A-T, G-C처럼 짝이 맞는 염기끼리 정확히 붙게 해 주고, 이중 나선의 안정에는 염기끼리 층층이 쌓이는 힘도 크게 기여해요.

단백질이 제 기능을 발휘하도록 특정한 입체 모양으로 접히고 그 모양을 유지하는 데에도 수소 결합이 중요한 역할을 해요(나선·병풍 구조 등). 이처럼 많은 생명 현상이 이 적당한 세기의 결합에 기대고 있어요.

보통의 액체는 온도가 내려가 고체로 얼어붙으면 분자들의 움직임이 둔해져 빽빽하게 뭉치면서 부피가 줄어들고 밀도가 커져요. 하지만 대부분의 물질과 달리 물은 반대로 행동해요. 얼음이 되면 오히려 부피가 늘어나고 밀도가 작아져서 물 위에 둥둥 뜨죠.

액체 상태의 물 분자들은 활발하게 움직이며 엉켜 있지만, 온도가 영하로 떨어져 얼음이 되면 수소 결합이 일정한 각도를 맞추며 정렬해요. 그 결과 가운데에 커다란 빈 공간이 뻥 뚫린 육각형의 그물망 구조를 뼈대처럼 형성하게 돼요.

속이 텅 빈 방들이 규칙적으로 생겨나면서 전체 부피는 약 9퍼센트 커지고, 단위 부피당 질량인 밀도는 거꾸로 낮아져요. 고체 상태가 액체 상태보다 밀도가 낮아지는 아주 독특한 성질이 수소 결합 때문에 나타나는 거예요.

얼음이 물에 뜨는 이 특별한 성질 덕분에, 추운 겨울에도 강과 호수는 표면부터 얼어붙어 아래쪽 물을 감싸는 단열재 역할을 해줘요. 바닥까지 꽁꽁 얼어붙지 않기 때문에 수많은 물속 생명체들이 추운 계절에도 안전하게 살아남을 수 있어요.