분산력과 쌍극자·쌍극자 힘

핵심 정리

분자 사이의 인력은 액체의 성질을 이해하고 기준 끓는점을 비교할 때 살펴야 하는 요인이다. 분자 사이 힘은 분자 자체를 이루는 공유 결합이나 이온 결합과 구별한다. 액체 상태의 물질에서 분자 사이에 작용하는 힘을 판별할 때는 먼저 분자가 극성인지 확인하고, 다음으로 분산력의 존재와 상대적 크기를 따진다. 두 힘을 서로 배타적인 종류로 생각해서는 안 된다. 극성 분자에는 쌍극자·쌍극자 힘이 작용하고, 동시에 모든 분자에는 분산력이 작용한다. 극성 공유 결합 분자 액체에는 분자 사이 쌍극자·쌍극자 힘이 작용한다.

분산력은 순간적으로 전하가 치우쳐 생긴 쌍극자와 이웃 분자에 유도된 쌍극자 사이의 인력이다. 분자의 전자 분포가 순간마다 달라질 수 있으므로 무극성 분자에도 분산력이 생긴다. 따라서 분산력은 극성 여부와 상관없이 분자 사이에 존재한다. 액체 상태의 물질이 분자로 이루어져 있다면 그 분자들 사이에는 분산력이 작용한다. 모든 분자 사이에는 분산력이 존재한다.

쌍극자·쌍극자 힘은 영구 쌍극자를 가진 극성 분자 사이의 인력이다. 분자의 양전하 쪽과 다른 분자의 음전하 쪽이 서로 끌어당긴다. 쌍극자 모멘트가 클수록 쌍극자 사이 힘은 커진다. 무극성 분자는 쌍극자 모멘트가 0이므로 이 힘을 만들지 않지만, 분산력은 여전히 작용한다. 극성 분자는 쌍극자·쌍극자 힘을 추가로 가지므로 같은 분자량의 비극성 분자보다 끓는점이 높다.

힘의 종류를 확인한 뒤에는 분자량과 분자 사이 접촉 면적을 함께 보아 분산력의 상대적 크기를 비교한다. 분자량이 클수록 분산력이 커지고, 분자 사이 접촉 면적이 클수록 분산력이 커진다. 분자량이 비슷한 물질의 기준 끓는점을 해석할 때는 분산력과 쌍극자·쌍극자 힘을 함께 고려한다. 쌍극자·쌍극자 힘이 있다는 사실만으로 그것을 기준 끓는점 차이의 주된 원인이라고 단정하지 않는다.

자세히

분자 사이 힘을 비교하는 첫 단계는 물질을 이루는 입자가 분자인지 확인하고, 분자에 영구 쌍극자가 있는지 판단하는 것이다. 결합이 극성이라고 해서 분자 전체가 반드시 극성인 것은 아니므로, 분자 전체의 극성을 판단해야 한다. 극성 분자라면 서로의 양전하 쪽과 음전하 쪽이 마주 볼 수 있고, 그에 따라 쌍극자·쌍극자 힘이 작용한다. 분자들이 열운동을 하며 위치와 방향을 바꾸더라도 극성 분자 사이의 인력이라는 성격은 변하지 않는다. 쌍극자의 크기가 클수록 이 힘이 커진다는 기준은 쌍극자 힘의 대소 관계를 묻는 문제에 직접 적용한다. 다만 극성 여부를 판별하는 것과 모든 분자 사이 힘을 빠짐없이 찾는 것은 별도의 단계다.

둘째 단계에서는 분산력을 빠뜨리지 않는다. 전자 분포가 순간적으로 한쪽에 치우치면 순간 쌍극자가 생길 수 있고, 이 쌍극자가 이웃 분자의 전자 분포에도 영향을 주어 유도 쌍극자를 만든다. 그 사이에 인력이 작용한다. 이 설명의 핵심은 순간적인 전하 치우침이 생길 수 있다는 점이다. 영구 쌍극자가 없는 무극성 분자라도 순간 쌍극자와 유도 쌍극자를 통해 서로 끌어당길 수 있다. 그러므로 분산력을 극성 분자에만 해당하는 힘으로 외우거나, 무극성 분자 사이에는 분자 간 힘이 없다고 판단하면 안 된다. 무극성 분자에서는 쌍극자·쌍극자 힘이 없더라도 분산력이 존재한다. 극성 분자에서는 쌍극자·쌍극자 힘과 분산력이 함께 작용한다.

세 번째 단계는 실제 물질의 힘을 종류별로 정리하는 것이다. 분산력과 쌍극자·쌍극자 힘은 서로 다른 근거로 생기므로, 어떤 한 물질에는 한 종류만 작용한다고 미리 정하지 않는다. 예를 들어 OF₂는 극성 분자이므로 쌍극자·쌍극자 힘이 작용한다. 수소 결합은 하지 않으며, 모든 분자와 마찬가지로 분산력도 작용한다. 분자 자체의 극성을 확인하는 일, 어떤 분자 간 힘이 있는지 나누는 일, 그리고 그 힘들의 상대적 크기를 비교하는 일은 구분해서 처리한다. 분자 간 힘을 찾을 때에는 분자의 종류와 문제에서 지정한 힘의 분류를 확인한 뒤, 극성에 따른 힘과 보편적으로 작용하는 분산력을 구별한다.

마지막 단계는 분산력의 크기와 기준 끓는점 자료를 연결하는 것이다. 분자량이 커지면 분산력이 커지고, 분자 사이 접촉 면적이 커져도 분산력이 커진다. 따라서 분자량만 나열해서 비교하는 방식은 접촉 면적이 달라지는 상황에서 충분하지 않다. 분자 모양이 제시되었다면 분자들이 서로 접촉하는 면적도 함께 살핀다. 분산력의 대소가 달라지면 분자 사이 인력의 비교와 기준 끓는점 해석에 반영한다. 극성 분자와 비극성 분자를 비교할 때에는 쌍극자·쌍극자 힘의 유무도 검토하되, 분자량이 비슷하다는 조건만으로 그 힘 하나가 끓는점 차이를 결정한다고 결론 내리지 않는다. 여러 힘이 함께 작용하는 점을 염두에 두고 자료의 각 물질에 작용하는 힘을 먼저 분류한 다음, 주어진 비교 조건에 맞추어 끓는점을 해석한다.