1.12 : 분자간 힘과 물리적 특성

분자간 힘은 분자 사이에 존재하는 인력입니다. 이는 물질의 녹는점, 끓는점, 용해도(혼화성)와 같은 여러 가지 벌크 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 물((H₂, b.p. 100 °C)과 같은 끓는점이 높은 액체는 헥산(C₆H₁₄, b.p. 68.73 °C)과 같은 낮은 끓는점 액체에 비해 더 강한 분자간 힘을 나타냅니다. 세 가지 종류의 분자간 상호 작용에는 i) 이온-쌍극자 힘, ii) 쌍극자-쌍극자 상호 작용, iii) 런던 분산력을 포함하는 반 데르 발스 힘이 포함됩니다.

1. 이온-쌍극자 력

이온-쌍극자 힘은 이온과 쌍극자 사이의 정전기적 인력입니다. 이는 용액에서 흔히 발견되며 KCl과 같은 이온 화합물을 물에 용해시키는 데 중요한 역할을 합니다. 이온-쌍극자 상호작용의 강도는 i) 이온의 전하 및 ii) 극성 분자의 쌍극자의 크기에 정비례합니다.

2. 쌍극자-쌍극자 상호작용

극성 분자는 분자의 한쪽 끝에는 부분적인 양전하를, 다른 쪽 끝에는 부분적인 음전하를 가집니다. 이러한 전하 분리를 쌍극자라고 합니다. 두 개의 영구 쌍극자 사이의 인력을 쌍극자-쌍극자 인력, 즉 한 극성 분자의 부분적으로 양극인 끝과 다른 극성 분자의 부분적으로 음인 끝 사이의 정전기력이라고 합니다. 수소 결합은 O, N 또는 F와 같이 전기 음성도가 높은 원자에 결합된 수소와 분자 사이의 쌍극자-쌍극자 상호 작용의 한 유형입니다. 결과적으로 한 분자(수소 결합 공여체)에서 부분적으로 양전하를 띤 H 원자가 강하게 상호 작용할 수 있습니다. 인접한 분자(수소 결합 수용체)에 부분적으로 음전하를 띤 O, N 또는 F 원자의 비공유 전자쌍이 있습니다. 수소 결합은 끓는점을 상당히 증가시킵니다.

3. 반데르발스와 런던 분산군

모든 힘 중에서 가장 약한 힘은 반데르발스 힘으로, 이는 원자와 분자 사이의 분자간 거리에 의존합니다. 반 데르 발스 힘의 하위 집합인 런던 분산력은 전자 분포의 일시적이고 자발적인 이동으로 인해 충전되지 않은 원자/분자 간의 상호 작용의 결과로 경험됩니다. 이러한 힘의 강도는 표면적의 증가로 인해 분자량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 보입니다. 결과적으로, 더 높은 분자량의 화합물은 일반적으로 더 높은 온도에서 끓습니다. 중요한 점은 분지형 탄화수소(네오펜탄)가 일반적으로 각각의 직쇄형(n-펜탄) 이성질체보다 표면적이 더 작으므로 끓는점이 낮다는 것입니다.

4. 물에 대한 유기화합물의 용해도

어떤 비율로든 균질하게 혼합될 수 있는 액체를 혼합성이라고 합니다. 혼합성 액체는 비슷한 극성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 메탄올과 물은 모두 극성이며 수소 결합이 가능합니다. 혼합 시, 메탄올과 물은 메탄올-메탄올 및 물-물 상호작용과 비슷한 강도의 분자간 수소 결합을 통해 상호작용합니다. 따라서 그들은 혼합이 가능합니다. 마찬가지로, 헥산이나 브롬과 같은 비극성 액체는 분산력을 통해 서로 섞일 수 있습니다. "같은 용해"라는 화학 공리는 화합물의 혼화성을 예측하는 데 유용합니다. 어느 정도 섞이지 않는 두 액체를 섞이지 않는 액체라고 합니다. 예를 들어, 비극성 헥산은 극성 물과 섞이지 않습니다. 헥산과 물 사이의 상대적으로 약한 인력은 물 분자 사이의 강한 수소 결합력을 적절하게 극복하지 못합니다.

이 문서는에서 발췌되었습니다. Openstax, Chemistry 2e, Section 10.1: Intermolecular Forces, Section 11.3: Solubility, and Chapter 10: Liquids and Solids.