분자 사이 인력과 끓는점·증기 압력

핵심 정리

액체 분자가 기체로 빠져나가려면 주변 분자와의 인력을 이겨야 한다. 따라서 분자 사이 인력이 클수록 기화가 어려워지고, 같은 온도에서 증기 압력은 낮아진다. 증기 압력이 낮은 액체가 일정한 외부 압력에 도달하려면 더 높은 온도까지 가열해야 하므로 끓는점이 높다. 분자 사이 인력이 강할수록 끓는점이 높다. 끓는점은 액체의 증기 압력이 외부 압력과 같아져 액체 내부에서도 기포가 생기며 끓기 시작하는 온도다. 기준 끓는점은 정해진 외부 압력에서 측정한 끓는점이다.

분자 사이 인력의 종류와 크기를 비교할 때는 분자의 극성, 분산력, 수소 결합을 함께 고려한다. 분자량이 클수록 분산력이 커지는 경향이 있으며, 다른 조건이 비슷하면 분산력이 큰 물질의 끓는점이 높다. 다만 분자량만으로 물질의 끓는점 순서를 정할 수는 없다. 분자량과 분산력이 비슷한 물질끼리는 수소 결합의 유무가 끓는점 비교에 중요하다. 분자량과 분산력이 비슷할 때 수소 결합이 있는 물질은 기준 끓는점이 높다.

용액에서는 비휘발성 용질이 녹으면 같은 온도에서 순수한 용매보다 증기 압력이 낮아지고 끓는점이 높아진다. 증기 압력 내림이 클수록 끓는점 오름도 크다. 외부 압력이 달라지면 끓는점도 달라지므로 물질의 끓는점을 비교할 때는 외부 압력이 같은지 확인한다. 외부 압력이 같을 때 증기 압력이 낮은 액체는 끓는점이 높다.

자세히

액체 표면의 분자들은 계속 운동하며, 그중 일부는 주변 분자와의 인력을 이겨 액체 밖으로 나간다. 액체에서 기체로 변하는 기화가 일어나면 분자 사이 인력을 이겨야 한다. 온도가 올라가면 분자 운동이 활발해져 기체로 빠져나갈 수 있는 분자가 늘어나고, 액체 위 기체의 압력인 증기 압력이 커진다. 닫힌 용기에서는 기화와 함께 기체 분자가 액체로 돌아오는 응축도 일어난다. 기화 속도와 응축 속도가 같아지면 동적 평형에 도달하며, 이때 기체가 액체와 평형을 이루며 나타내는 압력이 증기 압력이다. 동적 평형에서는 기체의 압력이 일정하게 유지된다. 증기 압력은 액체의 양 자체가 아니라 온도와 물질의 성질에 따라 달라진다.

같은 온도에서 두 액체를 비교한다고 하자. 분자 사이 인력이 큰 액체에서는 분자가 표면을 벗어나 기체가 되기 어렵다. 따라서 기체가 되려는 경향이 작고 증기 압력이 낮다. 반대로 분자 사이 인력이 작은 액체는 분자가 더 쉽게 기화하여 증기 압력이 높다. 증기 압력이 낮은 액체일수록 분자 사이 인력이 크다. 증기 압력과 분자 사이 인력의 관계는 같은 온도에서 판단해야 한다. 서로 다른 온도에서 측정한 증기 압력만 비교해서 인력의 크기를 바로 결정해서는 안 된다.

끓는점에서는 증기 압력이 외부 압력과 같아진다. 액체 표면에서만 일어나는 기화와 달리, 끓을 때는 액체 내부에 생긴 기포가 외부 압력에 맞서 성장할 수 있다. 같은 외부 압력에서 증기 압력이 낮은 액체는 해당 압력에 도달하기까지 더 가열해야 한다. 그러므로 증기 압력이 낮은 액체일수록 기준 끓는점이 높다. 외부 압력이 낮아지면 액체는 더 낮은 온도에서 증기 압력이 외부 압력과 같아지므로 끓는점도 낮아진다. 따라서 끓는점은 분자 사이 인력뿐 아니라 끓는 동안 액체에 작용하는 외부 압력에도 좌우된다.

분자 사이 인력을 비교할 때는 먼저 분자량에 따른 분산력의 경향을 살핀다. 분산력은 모든 분자 사이에 작용하며, 분자량이 클수록 커지는 경향이 있다. 다른 조건이 비슷하면 분자량이 큰 물질의 끓는점이 높다. 그러나 분자량이 큰 물질이 언제나 끓는점도 더 높다고 단정해서는 안 된다. 분자의 극성에 따른 쌍극자·쌍극자 힘과 수소 결합도 함께 작용하기 때문이다. 극성 분자 사이의 인력을 비교할 때는 분산력과 쌍극자·쌍극자 힘을 함께 고려하며, 수소 결합이 있으면 인력이 더 커질 수 있다.

수소 결합을 비교할 때는 분자량 순서만 보지 말고 액체 상태에서 수소 결합이 가능한지 확인한다. 분자량과 분산력이 비슷한 물질끼리라면 수소 결합이 있는 쪽의 분자 사이 인력이 더 크고 기준 끓는점도 더 높다. 반면 분자량 차이가 큰 물질이나 수소 결합이 없는 물질끼리는 분산력과 쌍극자·쌍극자 힘을 함께 따져야 한다. 예를 들어 HI와 HBr의 끓는점 차이는 수소 결합이 아니라 분산력 차이로 설명한다. 수소 결합이 있다는 사실만으로 모든 물질의 끓는점 순서를 결정할 수는 없다. 비교 대상의 다른 인력 요인도 확인해야 한다.