분자 사이에 작용하는 힘 Part.2

1. 수소결합(hydrogen bond)

1) 수소결합의 정의

수소 결합이란 전기 음성도가 매우 큰 원자(O, N, F)에 결합한 수소 원자와, 같은 분자 또는 다른 분자의 전자가 풍부한 영역 간의 상호 인력입니다.

[ConFer]
대개 전자가 풍부한 영역은 전기 음성도가 큰 다른 원자의 비공유 전자쌍입니다.

2) 수소결합과 분자간 힘

수소 결합은 O-H, N-H, F-H 결합에서 수소는 부분 양전하를 띠고, 전기 음성도가 큰 원자가 부분 음전하를 가져 극성이 크기 때문입니다. 수소 원자는 핵을 가려 막을 수 있는 내부 전자가 없고, 크기가 작기 때문에 다른 분자가 접근하기 용이합니다. 이런 이유로 수소와 이웃 원자의 비공유 전자쌍 사이에는 매우 큰 쌍극자-쌍극자 인력이 생겨 수소 결합을 형성합니다. 수소 결합은 최대 40 kJ/mol의 에너지를 가질 정도로 강합니다.

주기율표의 같은 족에서 아래로 내려갈수록 분자량이 증가하므로 런던 분산력이 증가하여 끓는점이 일반적으로 증가합니다.

2. 이온-쌍극자 힘(ion-dipole force)

1) 이온-쌍극자 힘의 정의

각 결합 쌍극자의 함이 0이 아니면 분자는 알짜 극성과 전체 쌍극자 모멘트를 가지고 있다. 분자의 한쪽 부분은 여분의 전자를 가져 부분 음전하를 띠고, 반대편은 전자가 부족해 부분 양전하를 띱니다. 이온-쌍극자 힘은 이온과 극성 분자의 부분 전하 사이에 전기적 상호작용의 결과입니다.

2) 이온-쌍극자 힘과 극성

이온이 존재할 때, 극성 분자는 유리한 배향으로 쌍극자의 양이온 끝이 음이온에 가깝고, 쌍극자의 음이온 끝은 양이온에 가깝게 배열됩니다.

3) 이온-쌍극자 힘의 크기

상호 작용 에너지 E의 크기는 이온의 전하($ z$), 쌍극자 모멘트 $ \mu$로 측정되는 쌍극자 세기에 비례하고, 이온과 쌍극자 사이의 거리 $ r$의 제곱에 반비례합니다.
$$ E\propto \frac{z\cdot \mu }{r^{2}}$$

이온-쌍극자 힘은 세기에 있어 매우 가변적이고, 염화 나트륨과 같은 이온성 물질의 수용액에서, 극성 물 분자들이 이온을 둘러싸는 상황에서 특히 중요합니다.

3. 총정리

이온-쌍극자 힘
매우 가변적(10~70 kJ/mol)
이온과 극성 분자 사이에서 일어납니다.

쌍극자-쌍극자 힘
약함(3~4 kJ/mol)
극성 분자 사이에 일어납니다.

런던 분산력
약함(1~10 kJ/mol)
모든 분사 사이에서 일어나고, 세기는 크기와 편극도에 좌우됩니다.

수소 결합
중간(10~40 kJ/mol)
O-H, N-H, F-H 결합을 갖는 분자 사이에서 일어납니다.