분자 사이에 작용하는 힘 Part.1

1. 분자간 힘과 물체의 상, 온도

1) 분자간 힘과 물체의 상

물체에 상에 따른 분자간 힘의 크기는 아래와 같습니다.
기체의 경우 입자들간 인력(분자간 힘)이 약하기 때문에, 사방으로 무질서하고 자유롭게 움직입니다. 하지만 액체나 고체의 경우, 기체와 달리 입자 사이에 강한 인력이 존재합니다. 액체의 경우 인력이 입자를 가깝게 붙잡아 놓을 만큼 충분히 세지만, 아직도 서로를 스치며 자유롭게 이동이 가능한 상태입니다. 하지만 고체의 경우 인력이 매우 강해 입자들을 단단히 붙잡아 움직이지 않게 하는 상태가 됩니다.

2) 분자간 힘과 온도

분자간 힘에 영향을 미치는 요소에는 온도도 있습니다. 온도 높을수록 입자들은 더 큰 운동에너지를 가지고, 따라서 그들을 서로 붙잡아두는 분자 사이에 인력을 극복할 수 있게 됩니다.

2. 반데르발스 힘(van der Waals force)

분자간 인력은 반데르발스 힘(van der Waals force)이라고도 하는데, 이 힘에는 런던 분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 수소 결합과 이온과 분자간에 작용하는 이온-쌍극자 힘 작용이 있습니다. 모든 분자간 힘은 같은 전하 사이의 상호 반발 또는 다른 전하 사이에 상호 인력과 같은 전기적 성질에서 기인합니다.

3. 런던 분산력(London dispersion force)

1) 런던 분산력

모든 원자와 분자는 구조에 관계없이 전자의 움직임으로 인하여 런던 분산력을 가지고, 분자 내에 일시적인 쌍극자 모멘트를 생성합니다.

무극성 분자인 브로민 기체의 전체 분자 내에서 전자 분포는 시간 평균적으로 대칭이지만, 어느 짧은 순간에는 한쪽의 전자가 다른 쪽에 비해 많아져서 짧은 수명의 쌍극자가 생기게 됩니다. 분자의 순간 쌍극자는 인접한 분자들의 전자 분포에 영향을 줘 인접한 분자들에게 순간 쌍극자를 유발시킨다. 런던 분산력은 일반적으로 작고(1~10 kJ/mol), 정확한 크기는 분자의 전자구름이 주위의 전기장에 의해 얼마나 일그러질 수 있는지를 나타내는 편극도(polarizability)라는 성질에 따라 달라집니다.

2) 편극도(polarizability)

① 질량과 편극도

작거나 가벼운 원자는 적은 수의 전자들이 단단히 붙잡혀 있어 덜 편극됩니다.
큰 분자나 무거운 원자는 많은 전자를 가져 일부 전자는 단단히 붙잡혀 있지 않고 핵에서 멀리 떨어져 있어 편극되기 쉽고, 큰 분산력을 갖습니다.
더 크고 더 무거운 원자일수록 큰 편극과 분산력을 갖습니다.

② 크기, 모양과 편극도

분자에서는 분자 간 접촉을 최소화하는 조밀한 모양보다는 넓게 퍼진 모양일수록 분자 표면적을 극대화하며, 분자 간 접촉을 증가시켜 큰 분산력을 갖습니다.

분산력의 크기는 분자량에 비례합니다.
퍼진 모양일수록 분산력이 큽니다.

4. 쌍극자-쌍극자 힘(dipole-dipole force)

1) 쌍극자-쌍극자 힘

중성이지만 극성인 분자는 이웃한 극성 분자의 쌍극자 사이에 전기적 상호작용이 생기므로 발생하는 힘입니다. 쌍극자-쌍극자 힘은 분자 배향에 따라 인력 혹은 반발력이 될 수 있고, 많은 분자가 모인 집합체에서 알짜힘은 이들 두 힘인 인력과 반발력의 합입니다. 쌍극자-쌍극자 힘은 3~4 kJ/mol 정도의 에너지를 가집니다.

[ConFer]
비슷한 분자량을 가지는 분자에서 쌍극자-쌍극자 힘은 런던 분산력보다 강합니다.

① 극성과 쌍극자-쌍극자 힘

극성 분자들은 서로 다른 전하들이 접근할 때는 끌어당깁니다.
극성 분자들은 같은 전하들이 접근할 때는 반발합니다.

[ConFer]
분자간 힘이 크면, 끓는점도 높아진다.

② 끓는점과 쌍극자-쌍극자 힘

쌍극자-쌍극자 힘의 강도는 관련된 쌍극자 모멘트 크기에 의존합니다. 물질이 더 큰 극성일수록 힘의 세기가 더 큽니다. 쌍극자 모멘트가 클수록 분자간 힘이 커지고, 이러한 힘을 극복하기 위해 더 많은 열을 가해야 합니다. 일반적으로 쌍극자 모멘트가 큰 물질은 끓는점이 높습니다.