분자 사이에 작용하는 힘들

분자간 힘

Intermolecular force라는 분자간 힘에 대해 정의를 알아보겠습니다. 말 그대로 분자 사이에 당겨지는 힘을 의미합니다. 예를 들어 끓는점에서 물이 수증기가 되는데 필요한 힘은 41kJ입니다. 그런데 만약 물분자 내의 수소와 산소를 분리하고자 할 때에는 훨씬 더 큰 힘이 들어가겠지요. 이것을 분자내 힘이라고 할 수 있습니다. 그래서 일반적으로 분자간 힘은 분자내 힘보다 훨씬 약하다고 생각하시면 됩니다. 참고로 O와 H간 결합을 끊으려면 930kJ의 에너지가 필요합니다. 

 

쌍극자-쌍극자 힘

쌍극자-쌍극자 힘의 특성은 쌍극자 모멘트를 가진 분자들끼리 얼마나 인력이 작용하는지에 따라 달라집니다. 이 힘은 정전기적 인력으로 부터 발생합니다. 분자들의 쌍극자 모멘트가 커지면 커질수록 쌍극자-쌍극자 힘은 더욱 커집니다. 한편 이온-쌍극자 힘도 존재합니다. 이 힘은 이온과 극성 분자 사이의 힘이라고 생각하시면 됩니다. 이 힘의 세기는 이온의 전하에 따라 달라지고, 분자의 쌍극자 모멘트에 의해서도 달라집니다. 물론 크기와 부피에 따라서도 달라집니다.

 

분산력이란

극성을 나타내지 않는 비극성 물질들에서는 어떠한 인력이 작용할까요? 그것은 바로 분산력입니다. 극성 분자나 이온을 원자 가까이에 놓으면 쌍극자 형태가 됩니다. 이를 유도쌍극자라고 부릅니다. 이러한 현상의 원인은 원자에게 이온이나 극성 분자가 접근하기 때문입니다. 유도 쌍극자와 이온 사이에 작용하는 힘은 이온-유도 쌍극자 작용이라고 부릅니다. 만약 극성 분자와 유도 쌍극자 사이에 힘을 정의하고자 한다면 이는 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용이라고 부릅니다. 이렇게 원자나 분자에서 쌍극자가 일시적으로 생기면서 당기는 힘을 분산력이라고 합니다. 

 

수소결합

수소결합은 hydrogen bond라고 합니다. F, O, N 원자와 H 사이에 작용하는 특별한 형태의 쌍극자-쌍극자 상호작용이라고 할 수 있습니다. 수소 결합의 평균적인 에너지는 약 40kJ/mol의 최대 에너지를 나타냅니다. 수소 결합의 세기를 결정하는 기준은 음성을 나타내는 원자의 비공유 전자쌍과 양성자 간의 상호작용에 의해서 결정됩니다.

 

표면 장력

우리가 컵에 물을 가득 담고 추가로 한 방울씩 떨어뜨리다 보면 컵 위로 둥그렇게 물이 넘치지 않고 쌓이는 현상을 많이 목격해 보았을 것입니다. 이 현상을 표면 장력이라고 부릅니다. 이는 액체에 있는 분자들의 특성 때문인데, 액체 내의 분자들은 서로 분자간 힘에 의해서 모든 방향을 향해 서로 서로 당겨집니다. 또한 이러한 힘은 내부로 서로를 끌어당기는 힘이 강하기 때문에 표면에 물이 조금 더 들어가도 물 속으로 계속해서 끌어당기면서 실제 부피를 초과해서 컵에 물이 담길 수 있는 것입니다. 표면 장력을 계산해 보고자 한다면 액체 표면을 단위면적만큼 늘리는데에 필요한 에너지의 양으로 계산을 할 수 있습니다. 

 

물의 구조와 특성

수소 결합 때문에 유지되고 있는 '물'이란 물질의 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다. 우리 주변에서 언제나 마주할 수 있고 모든 생명체에게 가장 필수적인 요소 중 하나인 물은 특이한 특성들이 존재합니다. 우선 고체가 액체보다 밀도가 작다는 특이한 특성이 있습니다. 그래서 우리가 얼음물을 마실 때 얼음이 둥둥 떠다니게 되는 것입니다. 대부분의 물질들은 고체가 밀도가 더 큰 특성을 갖습니다. 이러한 특이성은 물 분자의 구조 덕분에 발생합니다. 물 분자는 산소 원자에 비공유 전자쌍이 존재합니다. 그래서 물 분자는 산소 원자가 두 개의 공유결합과 두 개의 수소 결합에 참여할 수 있으므로 네 개의 수소 원자와 정사면체의 거대한 그물 구조를 형성합니다. 이러한 특징은 다른 수소 결합을 하는 F나 N 등에서는 나타나지 않는 물의 고유한 특성입니다. 

 

고체의 결정 형태와 성질

고체의 결합은 여러 결정 형태에 따른 특성으로 분류가 가능합니다. 이온성 결정 형태를 나타내는 물질들(예를 들어 NaCl, LiF, MgO 등)을 유지하는 힘은 정전기적 인력입니다. 이온성 결정 형태의 대표적인 특징은 단단하지만 부서지기 쉽다는 것입니다. 또한 열이나 전기 전도성이 그리 좋지 못합니다. 그리고 녹는점이 높은 특징을 갖습니다. 분자성 결정 형태의 물질들은 Ar, CO2, H2O등이 있습니다. 여기에는 분산력과 쌍극자-쌍극자 힘, 그리고 수소 결합이 작용합니다. 대표적인 특징은 녹는점이 낮고 부드럽고, 열과 전기 전도성이 좋지 못합니다. 물은 예외적인 특징을 갖습니다. 분자성 결정들은 이온성 결정이나 공유성 결정에 비하면 훨씬 쉽게 깨집니다. 이 페이지의 초반에 설명한 분자간 힘에 비해 분자내 힘이 더 강하게 작용하기 때문입니다. 그래서 실제로 분자성 결정은 대부분 섭씨 200도씨 이하에서 모두 녹는 것으로 알려져 있습니다. 한편 공유 결합의 힘으로 부터 존재하는 공유성 결정 형태는 탄소로 이루어진 다이아몬드 등이 있습니다. 단단하며 녹는점이 높은 특징을 갖고 있습니다. 마지막으로 금속 결합을 통해 이루어진 금속성 결정 형태는 일반적인 특성을 명확하게 규정할 수는 없습니다. 단단하거나 부드러울 수 있고 녹는점이 높을수도 낮을수도 있습니다. 한편 보편적인 열과 전기 전도성은 어느정도 양호한 편이라고 할 수 있습니다. 대표적인 예는 모든 금속 원소가 해당됩니다. Na, Mg, Fe, Cu 등 우리가 알고 있는 금속 종류들이 모두 이에 해당합니다. 녹는점, 밀도, 경도 등 고체의 구조와 특성은 위에서 열거한 4가지 분류와 각각의 특징에 따라 결정됩니다.