분자 사이에 작용하는 힘이다.
종류에는 쌍극자·쌍극자 힘, 분산력, 수소 결합이 있다.
분자 간 힘이 클수록 기준 끓는점(1기압에서 액체가 끓기 시작하는 온도)이 높다.
극성 분자가 한 분자 내에서 부분적인 양전하(δ+)와 부분적인 음전하(δ−)를 띠는 영구 쌍극자를 갖는데,
이 영구 쌍극자에 의해 분자끼리 서로 끌어당기는 힘이다.
쌍극자·쌍극자 힘은 분자의 극성이 클수록 강하다.
분자 내에서 전자가 한쪽으로 치우쳐 순간적으로 쌍극자가 생기고, 이 쌍극자가 주위 분자에 쌍극자를 유도해서 생기는 힘이다.
순간 쌍극자는 전자가 한쪽으로 치우쳐 순간적으로 생긴 쌍극자이고,
유도 쌍극자는 순간 쌍극자에 의해 유도된 쌍극자이다.
순간 쌍극자는 무극성 분자에도 생길 수 있기 때문에 분자의 극성에 관계없이 모든 분자는 분산력을 갖는다.
분자량이 크고 분자의 표면적(물체의 바깥쪽 표면의 넓이)이 넓을수록 분산력이 크다.
전기 음성도가 매우 큰 N, O, F 중 한 원소와 공유 결합한 H(수소) 원자가 부분적인 양전하(δ+)를 띠어,
분자끼리 서로 강하게 끌어당기는 힘이다.
수소 결합은 분자 간 힘 중에서 매우 강한 편이지만, 공유 결합보다 약하다.
표는 4가지 분자의 분자량과 기준 끓는점을 나타낸 것이다. 이를 분자 간 힘을 통해 분석해보자.
- Cl2와 F2의 기준 끓는점 분석:
분산력 비교:
Cl2와 F2의 분자량은 각각 71, 38이고, 분자량이 클수록 분산력이 크므로 분자 사이의 분산력은 Cl2가 F2보다 크다.
쌍극자·쌍극자 힘 비교:
Cl2와 F2는 모두 무극성 분자이므로 쌍극자·쌍극자 힘이 없다.
수소 결합 비교:
Cl2와 F2는 모두 N, O, F 중 한 원소와 공유 결합한 H가 없으므로 분자 사이에 수소 결합이 없다.
따라서 분자 간 힘은 Cl2가 F2보다 강하고, Cl2는 F2보다 기준 끓는점이 높다.
- F2와 HCl의 기준 끓는점 분석:
분산력 비교:
F2와 HCl의 분자량은 각각 38, 36.5로 비슷하므로 분자 사이의 분산력은 비슷하다.
쌍극자·쌍극자 힘 비교:
F2는 무극성 분자이므로 쌍극자·쌍극자 힘이 없지만, HCl은 극성 분자로 쌍극자·쌍극자 힘이 있다.
수소 결합 비교:
F2와 HCl은 모두 N, O, F 중 한 원소와 공유 결합한 H가 없으므로 분자 사이에 수소 결합이 없다.
따라서 분자 간 힘은 쌍극자·쌍극자 힘에 의해 HCl이 F2보다 강하며, HCl은 F2보다 기준 끓는점이 높다.
- HCl과 H2O의 기준 끓는점 분석:
분산력 비교:
HCl과 H2O의 분자량은 각각 36.5, 18이고, 분자량이 클수록 분자 사이의 분산력이 크므로 분산력은 HCl이 H2O보다 크다.
쌍극자·쌍극자 힘 비교:
HCl과 H2O는 모두 극성 분자로 쌍극자·쌍극자 힘이 있다.
수소 결합 비교:
HCl과 H2O 중 H2O만 N, O, F 중 한 원소(O)와 공유 결합한 H가 있으므로 분자 사이에 수소 결합이 있다.
따라서 H2O는 HCl보다 분산력이 작지만 수소 결합으로 인해 분자 간 힘은 H2O가 HCl보다 강하고, H2O는 HCl보다 기준 끓는점이 높다.
정답: $3$
ㄱ. H2O는 N, O, F 중 한 원소(O)와 공유 결합한 H가 있으므로 분자 사이에 수소 결합이 있다. (O)
ㄴ. 분산력은 분자량이 크고 분자의 표면적이 넓을수록 크므로 분자 사이의 분산력은 C2H4가 H2O보다 크다. (O)
ㄷ. C2H4는 각 C 원자가 평면 삼각형 구조를 가져 쌍극자 모멘트가 완전히 상쇄되므로 무극성 분자에 해당한다.
그러므로 C2H4는 쌍극자·쌍극자 힘이 없다.
H2O는 극성 분자에 해당하므로 쌍극자·쌍극자 힘이 존재한다.
이를 통해 분자 사이의 쌍극자·쌍극자 힘은 C2H4가 H2O보다 작음을 알 수 있다. (X)
따라서 답은 3번이다.
정답: $4$
ㄱ. HF는 N, O, F 중 한 원소(F)와 공유 결합한 H가 있으므로 분자 사이에 수소 결합이 있다. (O)
ㄴ. SiH4는 정사면체 구조를 가져 쌍극자 모멘트가 완전히 상쇄되므로 무극성 분자에 해당한다.
그러므로 SiH4 분자 사이에 쌍극자·쌍극자 힘이 존재하지 않는다. (X)
ㄷ. CH4는 SiH4와 같이 정사면체 구조를 가져 쌍극자 모멘트가 완전히 상쇄되므로 무극성 분자에 해당한다.
또한 SiH4와 CH4는 모두 N, O, F 중 한 원소와 공유 결합한 H가 없으므로 분자 사이에 수소 결합이 없다.
그러므로 SiH4와 CH4의 기준 끓는점의 차이는 분산력에 의해 생기는데,
분산력은 분자량이 클수록 크므로 기준 끓는점은 SiH4가 CH4보다 높다.
이를 통해 a<−111.8임을 알 수 있다. (O)
따라서 답은 4번이다.
