분자 간 힘

¶ 지식 정보

해당 지식
분자 사이에 작용하는 쌍극자·쌍극자 힘, 분산력, 수소 결합의 종류와 분자량과 표면적에 따른 분산력의 크기를 설명합니다.
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¶ 분자 간 힘

분자 사이에 작용하는 힘이다.
종류에는 쌍극자·쌍극자 힘, 분산력, 수소 결합이 있다.

분자 간 힘이 클수록 기준 끓는점( $1$ 기압에서 액체가 끓기 시작하는 온도)이 높다.

¶ 쌍극자·쌍극자 힘

극성 분자가 한 분자 내에서 부분적인 양전하 $(\delta^{+})$ 와 부분적인 음전하 $(\delta^{-})$ 를 띠는 영구 쌍극자를 갖는데,
이 영구 쌍극자에 의해 분자끼리 서로 끌어당기는 힘이다.

쌍극자·쌍극자 힘은 분자의 극성이 클수록 강하다.

부분 전하를 띤 두 분자 사이의 쌍극자·쌍극자 힘 도식

¶ 분산력

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.

무극성 분자에서 순간 쌍극자와 유도 쌍극자가 형성되는 분산력 모식도

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.

¶ 수소 결합

전기 음성도가 매우 큰 $\mathrm{N}$ , $\mathrm{O}$ , $\mathrm{F}$ 중 한 원소와 공유 결합한 $\mathrm{H}$ (수소) 원자가 부분적인 양전하 $(\delta^{+})$ 를 띠어,
분자끼리 서로 강하게 끌어당기는 힘이다.

두 HF 분자 사이의 수소 결합을 나타낸 구조도

수소 결합은 분자 간 힘 중에서 매우 강한 편이지만, 공유 결합보다 약하다.

¶ 분자 간 힘 예시

표는 $4$ 가지 분자의 분자량과 기준 끓는점을 나타낸 것이다. 이를 분자 간 힘을 통해 분석해보자.

분자	$\mathrm{Cl_{2}}$	$\mathrm{F_{2}}$	$\mathrm{HCl}$	$\mathrm{H_{2}O}$
분자량	$71$	$38$	$36.5$	$18$
기준 끓는점$(^{\circ}\mathrm{C})$	$-34$	$-188$	$-85$	$100$

$\mathrm{Cl_{2}}$ 와 $\mathrm{F_{2}}$ 의 기준 끓는점 분석:

분산력 비교:
$\mathrm{Cl_{2}}$ 와 $\mathrm{F_{2}}$ 의 분자량은 각각 $71$ , $38$ 이고, 분자량이 클수록 분산력이 크므로 분자 사이의 분산력은 $\mathrm{Cl_{2}}$ 가 $\mathrm{F_{2}}$ 보다 크다.

쌍극자·쌍극자 힘 비교:
$\mathrm{Cl_{2}}$ 와 $\mathrm{F_{2}}$ 는 모두 무극성 분자이므로 쌍극자·쌍극자 힘이 없다.

수소 결합 비교:
$\mathrm{Cl_{2}}$ 와 $\mathrm{F_{2}}$ 는 모두 $\mathrm{N}$ , $\mathrm{O}$ , $\mathrm{F}$ 중 한 원소와 공유 결합한 $\mathrm{H}$ 가 없으므로 분자 사이에 수소 결합이 없다.

따라서 분자 간 힘은 $\mathrm{Cl_{2}}$ 가 $\mathrm{F_{2}}$ 보다 강하고, $\mathrm{Cl_{2}}$ 는 $\mathrm{F_{2}}$ 보다 기준 끓는점이 높다.

$\mathrm{F_{2}}$ 와 $\mathrm{HCl}$ 의 기준 끓는점 분석:

분산력 비교:
$\mathrm{F_{2}}$ 와 $\mathrm{HCl}$ 의 분자량은 각각 $38$ , $36.5$ 로 비슷하므로 분자 사이의 분산력은 비슷하다.

쌍극자·쌍극자 힘 비교:
$\mathrm{F_{2}}$ 는 무극성 분자이므로 쌍극자·쌍극자 힘이 없지만, $\mathrm{HCl}$ 은 극성 분자로 쌍극자·쌍극자 힘이 있다.

수소 결합 비교:
$\mathrm{F_{2}}$ 와 $\mathrm{HCl}$ 은 모두 $\mathrm{N}$ , $\mathrm{O}$ , $\mathrm{F}$ 중 한 원소와 공유 결합한 $\mathrm{H}$ 가 없으므로 분자 사이에 수소 결합이 없다.

따라서 분자 간 힘은 쌍극자·쌍극자 힘에 의해 $\mathrm{HCl}$ 이 $\mathrm{F_{2}}$ 보다 강하며, $\mathrm{HCl}$ 은 $\mathrm{F_{2}}$ 보다 기준 끓는점이 높다.

$\mathrm{HCl}$ 과 $\mathrm{H_{2}O}$ 의 기준 끓는점 분석:

분산력 비교:
$\mathrm{HCl}$ 과 $\mathrm{H_{2}O}$ 의 분자량은 각각 $36.5$ , $18$ 이고, 분자량이 클수록 분자 사이의 분산력이 크므로 분산력은 $\mathrm{HCl}$ 이 $\mathrm{H_{2}O}$ 보다 크다.

쌍극자·쌍극자 힘 비교:
$\mathrm{HCl}$ 과 $\mathrm{H_{2}O}$ 는 모두 극성 분자로 쌍극자·쌍극자 힘이 있다.

수소 결합 비교:
$\mathrm{HCl}$ 과 $\mathrm{H_{2}O}$ 중 $\mathrm{H_{2}O}$ 만 $\mathrm{N}$ , $\mathrm{O}$ , $\mathrm{F}$ 중 한 원소 $(\mathrm{O})$ 와 공유 결합한 $\mathrm{H}$ 가 있으므로 분자 사이에 수소 결합이 있다.

따라서 $\mathrm{H_{2}O}$ 는 $\mathrm{HCl}$ 보다 분산력이 작지만 수소 결합으로 인해 분자 간 힘은 $\mathrm{H_{2}O}$ 가 $\mathrm{HCl}$ 보다 강하고, $\mathrm{H_{2}O}$ 는 $\mathrm{HCl}$ 보다 기준 끓는점이 높다.

¶ 적용 문항

¶ 1번 문항

C₂H₄와 H₂O의 루이스 구조식 및 분자 간 힘을 비교하는 화학 문항

1번 문항 정답 및 해설 보기

¶ 2번 문항

HF, SiH₄, CH₄의 분자량과 기준 끓는점 비교 문항

2번 문항 정답 및 해설 보기