HSC 화학의 분자간 힘과 분자 내 힘

액체 상태의 물을 끓을 때까지 가열해 보자. 물 분자들은 서로 멀어져 기체가 되지만, 각 입자는 여전히 \(\ce{H2O}\)이다. 산소 원자가 갑자기 두 수소 원자에서 떨어져 나가는 것은 아니다.

그렇다면 물이 끓을 때 실제로 무엇이 끊어지는 것일까?

분자들이 서로 떨어져 나가므로 O-H 결합이 끊어진다고 생각하기 쉽다. 하지만 그렇지 않다. 끓음은 물 분자 사이의 인력을 극복한다. 각 물 분자 내부의 훨씬 강한 공유 결합은 그대로 유지된다.

바로 이 차이가 분자간 힘과 분자 내 힘을 이해하는 핵심이다.

01먼저 서로 다른 두 가지 역할부터 살펴보자

분자를 사람이 붐비는 콘서트장에서 손을 잡고 있는 한 쌍이라고 생각해 보자.

손을 잡고 있는 것은 원자들을 하나의 분자로 묶어 주는 결합을 나타낸다. 서로 다른 쌍들 사이에서 일어나는 더 약한 밀침과 끌림은 이웃한 분자 사이의 힘을 나타낸다. 사람들이 흩어지면, 각 쌍은 헤어지지 않은 채 서로 멀어질 수 있다.

분자성 액체가 끓을 때 대략 이런 일이 일어난다.

물론 이 비유에는 한계가 있다. 분자는 상대를 스스로 선택하지 않으며, 실제 인력은 전하를 띤 입자들 사이의 전기적 상호작용이다. 또한 하나의 분자는 동시에 여러 이웃 분자를 끌어당길 수 있다. 그래도 다음과 같은 구분은 유용하다.

• 분자 내 힘은 하나의 입자 내부에서 작용하며 원자들을 서로 결합시킨다.
• 분자간 힘은 서로 분리된 분자들 사이에서 작용한다.

접두사를 생각하면 구분하기 쉽다. Intra는 내부를 뜻하고, Inter는 사이를 뜻한다.

물, 메테인, 에탄올과 같은 분자성 물질에서 주요 분자 내 힘은 공유 결합이다.

예를 들어 물 분자 내부에서는

\[ \ce{H-O-H} \]

두 O-H 공유 결합이 분자 내 힘에 해당한다.

한 물 분자와 다른 물 분자 사이에는 분자간 인력이 존재한다.

이 구분이 중요한 이유는 두 종류의 힘이 전혀 다른 역할을 하기 때문이다.

02물리적 변화인가, 화학적 변화인가?

이 구분을 이용하면 유용한 판단 기준을 세울 수 있다.

분자들이 서로 떨어지지만 같은 분자로 남아 있다면, 분자간 힘이 극복되고 있는 것이다.

원자들이 재배열되어 다른 물질이 된다면, 분자 내 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성되어야 한다.

물이 끓을 때:

\[ \ce{H2O(l) -> H2O(g)} \]

변화 전후의 입자는 모두 \(\ce{H2O}\)이다. 이는 물리적 변화이다.

물이 화학적으로 분해될 때:

\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]

O-H 공유 결합이 끊어져야 하며, 새로운 H-H 결합과 O=O 결합이 형성된다. 이는 화학적 변화이다.

그래서 물을 끓인다고 해서 수소 기체와 산소 기체가 생성되지는 않는다.

03분자 내 결합이 대체로 훨씬 더 강한 이유

공유 결합에는 양전하를 띤 원자핵과 공유 전자 사이의 강한 정전기적 인력이 관여한다. 공유 결합 하나를 끊는 데는 일반적으로 결합 1몰당 수백 킬로줄의 에너지가 필요하다.

분자간 인력은 일반적으로 훨씬 약하다. 하나의 분자간 인력은 1몰당 불과 수 킬로줄에서 수십 킬로줄 정도일 수 있다.

비교해 보면, O-H 공유 결합을 끊으려면 1몰당 대략 수백 킬로줄이 필요한 반면, 기화 과정에서 물 분자들을 서로 분리하는 데 필요한 물 1몰당 에너지는 훨씬 적다.

하지만 이를 다음과 같은 규칙으로 받아들이면 안 된다.

분자 내 힘은 항상 분자간 힘보다 정확히 열 배 더 강하다.

고정된 비율은 존재하지 않는다.

유용한 비교는 다음과 같다.

분자 내 화학 결합은 일반적으로 개별 분자간 인력보다 훨씬 강하다.

그래서 물질을 가열하면 그 분자를 파괴하지 않고도 녹이거나 끓일 수 있다.

04알아두어야 할 세 가지 분자간 힘

중성 분자성 물질에서는 HSC 화학에서 특히 중요한 세 가지 분자간 힘이 있다.

1. 런던 분산력
2. 쌍극자-쌍극자 힘
3. 수소 결합

하나의 분자는 이 힘들을 동시에 두 가지 이상 경험할 수 있다.

런던 분산력

비극성 분자 안의 전자들을 생각해 보자. 전자들은 끊임없이 움직이고 있다.

어느 한 순간에는 우연히 분자의 한쪽에 전자 밀도가 조금 더 높아질 수 있다. 그 순간 한쪽은 약간 음전하를 띠고, 반대쪽은 약간 양전하를 띠게 된다.

이로 인해 순간적인 쌍극자가 만들어진다.

이 순간적인 쌍극자는 근처 분자의 전자 구름을 변형시켜 또 다른 순간적인 쌍극자를 만들 수 있다. 그러면 서로 반대인 부분 전하 사이에 인력이 작용한다.

이러한 인력을 런던 분산력이라고 한다.

핵심 규칙은 다음과 같다.

모든 원자와 분자는 런던 분산력을 경험한다.

극성 분자도 포함된다.

흔히 하는 실수는 “물에는 수소 결합이 있으므로 분산력은 없다”라고 쓰는 것이다. 물에는 두 힘이 모두 존재한다.

분산력은 일반적으로 입자가 다음과 같은 특성을 가질수록 강해진다.

• 전자가 더 많음
• 더 크고 쉽게 변형되는 전자 구름을 가짐
• 분극성이 더 큼
• 이웃 분자와 가까이 접촉할 수 있는 표면적이 더 큼

그래서 큰 비극성 분자는 예상보다 강한 분자간 인력을 가질 수 있다.

쌍극자-쌍극자 힘

일부 분자는 영구적으로 전하가 불균등하게 분포한다.

염화 수소, \(\ce{HCl}\)를 생각해 보자. 염소는 수소보다 결합 전자를 더 강하게 끌어당긴다. 염소 쪽은 부분적인 음전하를 띠며 \(\delta-\)로 나타내고, 수소 쪽은 부분적인 양전하를 띠며 \(\delta+\)로 나타낸다.

따라서 이웃한 분자들은 서로 반대인 부분 전하가 끌어당기도록 배열될 수 있다.

이러한 인력을 쌍극자-쌍극자 힘이라고 한다.

쌍극자-쌍극자 힘이 작용하려면 분자에 영구적인 분자 쌍극자가 있어야 한다. 극성 결합이 있다는 것만으로 항상 충분한 것은 아니다.

예를 들어 \(\ce{CO2}\)에는 극성 C=O 결합이 있지만, 선형 구조 때문에 결합 쌍극자들이 서로 상쇄된다. 따라서 분자 전체는 비극성이다.

그러므로 \(\ce{CO2}\)에는 런던 분산력은 있지만 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력은 없다.

수소 결합

수소 결합은 특히 강한 형태의 쌍극자-쌍극자 인력이다.

일반적인 HSC 사례에서는 수소가 다음 원자 중 하나에 직접 공유 결합되어 있는지 확인하면 된다.

• 질소
• 산소
• 플루오린

전기음성도가 매우 큰 이 원자들 중 하나에 결합한 수소 원자는 강한 \(\delta+\)를 띠게 된다. 이 수소 원자는 이웃 분자의 N, O 또는 F에 있는 비공유 전자쌍을 끌어당길 수 있다.

물은 대표적인 예이다.

한 물 분자 내부의 O-H 결합은 공유 결합이며 분자 내 결합이다.

서로 이웃한 물 분자 사이에서 한 분자의 H 원자와 다른 분자의 O 원자 사이에 작용하는 인력은 수소 결합이며 분자간 힘이다.

이 표현상의 차이는 중요하다. “물 내부의 수소 결합”이라고 말하면 대개 서로 다른 두 개념을 혼동하게 된다.

05분자간 힘을 빠르게 판별하는 방법

분자성 물질이 주어졌다면 다음 질문들을 순서대로 확인하자.

첫째: 서로 분리된 분자들이 존재하는가?

그 물질이 이온 격자나 금속 격자라면, 고체를 분자간 힘으로 설명하는 것은 적절하지 않다. 격자 안에는 서로 분리된 분자들이 존재하지 않는다.

둘째: 반드시 존재하는 분자간 힘은 무엇인가?

런던 분산력이다. 모든 분자에는 런던 분산력이 존재한다.

셋째: 분자 전체가 극성인가?

그렇다면 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력도 추가된다.

넷째: H가 N, O 또는 F에 직접 결합되어 있는가?

그렇다면 보통 그 분자는 이웃한 적절한 N, O 또는 F 원자와 수소 결합을 형성할 수 있다.

이를 간단한 판단표로 나타내면 다음과 같다.

이 표는 유용하지만, 한 가지 중요한 복잡성을 감춘다. 단순히 힘의 종류를 이름 붙이는 것만으로 모든 끓는점을 예측할 수 있는 것은 아니다.

크기와 모양도 중요하다.

풀이 예시: 메탄올에는 어떤 힘이 작용하는가?

메탄올 \(\ce{CH3OH}\)에서 중요한 분자 내 힘과 분자간 힘을 찾아보자. 또한 메탄올이 끓을 때 무엇이 극복되는지 설명하자.

1단계: 각 분자를 무엇이 결합시키는지 확인한다.

메탄올 분자 내부의 C-H, C-O, O-H 결합은 공유 결합이다. 이들은 분자 내 힘이다.

2단계: 분자간 힘의 목록은 분산력부터 시작한다.

모든 메탄올 분자는 런던 분산력을 경험한다.

3단계: 분자가 극성인지 확인한다.

C-O와 O-H 결합은 강한 극성을 가지며, 이들의 쌍극자는 서로 상쇄되지 않는다. 따라서 메탄올은 극성이다.

그러므로 메탄올에는 쌍극자-쌍극자 인력이 작용한다.

4단계: 수소 결합이 가능한지 확인한다.

메탄올에는 O-H 결합이 있다. 산소에 결합된 수소는 이웃한 메탄올 분자의 산소 비공유 전자쌍과 강하게 상호작용할 수 있다.

따라서 메탄올은 수소 결합을 형성한다.

5단계: 끓을 때 무엇이 일어나는지 판단한다.

메탄올이 끓으면 분자들이 서로 분리된다. 분자간 힘은 극복되지만, 공유 결합인 C-H, C-O, O-H 결합은 그대로 유지된다.

따라서 메탄올에는 분자 내 공유 결합이 있고, 분자 사이에는 런던 분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 수소 결합이 존재한다.

여러 종류의 분자간 힘이 존재한다고 해서 세 개의 독립된 층을 하나씩 차례로 “끊어야” 한다는 뜻은 아니다. 이들은 분자 사이의 전체 인력에 서로 다르게 기여하는 요소들이다.

06분자간 힘의 세기 비교

다음과 같은 대략적인 순서를 볼 수 있다.

\[ \text{수소 결합} > \text{쌍극자-쌍극자 힘} > \text{런던 분산력} \]

하지만 이 순서는 크기가 비슷한 분자들을 비교할 때만 유용하다.

이것은 다른 모든 요소를 무시해도 되는 보편적인 순위가 아니다.

한 학생이 매우 작은 극성 분자와 매우 큰 비극성 분자를 비교하면서 “쌍극자-쌍극자 힘이 분산력보다 강하니까 극성 분자의 끓는점이 더 높을 것이다”라고 말한다고 해 보자.

분자간 힘을 흔히 단순한 서열로 배우기 때문에 이런 예측은 그럴듯해 보인다.

하지만 빠진 개념이 있다. 런던 분산력의 세기는 일정하지 않다. 전자 구름이 더 크고 분극되기 쉬워질수록 런던 분산력은 훨씬 강해진다.

따라서 큰 비극성 분자는 작은 극성 분자보다 전체적으로 더 강한 분자간 인력을 경험할 수 있다.

더 나은 판단 과정은 다음과 같다.

1. 존재하는 모든 종류의 분자간 힘을 확인한다.
2. 분자의 크기와 전자 수를 비교한다.
3. 분자의 모양과 표면적을 비교한다.
4. 그런 다음에야 어느 물질의 전체 분자간 인력이 더 강할지 판단한다.

07더 강한 분자간 힘이 끓는점에 영향을 주는 이유

액체는 그 내부 전체에서 분자들이 기체 상태로 빠져나갈 수 있을 때 끓는다.

그러기 위해서는 분자들이 주변의 이웃 분자들과 가까이 있게 만드는 인력을 충분히 극복해야 한다.

따라서 비슷한 조건에서는 다음과 같다.

분자간 힘이 강할수록 일반적으로 끓는점이 높다.

이 문장에 포함되지 않은 것이 무엇인지 주목하자. 바로 분자 내부의 더 강한 공유 결합이다.

탄화수소의 C-H 결합은 탄화수소가 끓을 때 끊어지지 않는다. 따라서 그 결합의 세기가 끓는점을 직접 결정하는 이유는 아니다.

이는 분자간 힘과 관련해 가장 흔히 하는 실수 중 하나이다.

풀이 예시: 에탄올과 다이메틸 에터 중 어느 쪽인가?

에탄올 \(\ce{CH3CH2OH}\)과 다이메틸 에터 \(\ce{CH3OCH3}\)는 분자식이 모두 \(\ce{C2H6O}\)로 같다. 어느 물질의 끓는점이 더 높을지 예측하고 그 이유를 설명하자.

1단계: 분자 크기를 통제한다.

두 분자는 분자식이 같으므로 원자의 수와 종류가 동일하다. 몰 질량도 사실상 같다.

따라서 분자 크기가 주요 차이가 아니므로 유용한 비교가 된다.

2단계: 다이메틸 에터에 존재하는 힘을 확인한다.

다이메틸 에터에는 런던 분산력이 존재한다.

C-O 결합은 극성이며 분자에는 영구적인 쌍극자가 있으므로 쌍극자-쌍극자 인력도 존재한다.

그러나 수소 원자 중 어느 것도 산소에 직접 결합되어 있지 않다. 따라서 일반적인 수소 결합의 주개-받개 의미에서 다른 다이메틸 에터 분자들과 수소 결합을 형성할 수 없다.

3단계: 에탄올에 존재하는 힘을 확인한다.

에탄올에도 런던 분산력과 쌍극자-쌍극자 힘이 존재한다.

에탄올의 O-H 작용기는 이웃한 에탄올 분자들이 수소 결합을 형성할 수 있게 한다.

4단계: 전체 분자간 인력을 비교한다.

두 분자의 크기가 비슷하므로, 에탄올에 추가로 존재하는 수소 결합은 중요한 차이가 된다.

따라서 에탄올은 전체적인 분자간 인력이 더 강하고 끓는점도 더 높다.

5단계: 결과를 해석한다.

에탄올 분자들을 분리해 기체 상태로 만드는 데 더 많은 에너지가 필요하다. 이러한 차이는 에탄올의 공유 결합이 끓는 과정에서 끊어지기 때문에 생기는 것이 아니다.

08분자 모양도 중요할 수 있다

분자 질량이 비슷한 두 분자라도 모양에 따라 서로 얼마나 가까이 접근할 수 있는지가 달라지므로 분산력의 세기가 다를 수 있다.

길고 비교적 곧은 분자는 작고 가지가 많이 갈라진 분자보다 이웃 분자와 더 넓은 표면적에서 접촉할 수 있는 경우가 많다.

접촉 면적이 더 크면 분산 인력도 더 강해질 수 있다.

이는 탄화수소를 비교할 때 특히 중요하다. 두 탄화수소가 비슷한 수의 전자를 가지고 있다면, 가지가 덜 갈라진 분자가 더 큰 분자간 접촉을 할 수 있는 모양을 가지므로 끓는점이 더 높은 경우가 많다.

다시 말하지만 이것은 분자간 효과이다. 분자 내부의 공유 결합을 비교하는 것이 아니다.

09가장 빠지기 쉬운 오개념: “수소 결합은 항상 가장 강하다”

수소 결합은 작은 중성 분자들 사이의 분자간 인력으로서는 강하다. 하지만 그렇다고 해서 수소 결합을 하는 모든 물질이 수소 결합을 하지 않는 모든 물질보다 반드시 끓는점이 높은 것은 아니다.

큰 탄화수소를 생각해 보자. 작은 알코올보다 훨씬 많은 전자를 가질 수 있으며, 그 결과 전자 구름의 분극성이 매우 커지고 상당한 분산력이 생길 수 있다.

따라서 다음과 같은 추론은 안전하지 않다.

물질 A는 수소 결합을 한다. 물질 B에는 분산력만 있다. 따라서 A의 끓는점이 반드시 더 높다.

입자들의 크기가 얼마나 큰지도 확인해야 한다.

예를 들어 뷰탄-1-올은 수소 결합을 할 수 있지만, 옥테인은 비극성이어서 수소 결합을 할 수 없다. 그런데도 옥테인의 끓는점은 약 \(126^\circ\text{C}\)로, 약 \(118^\circ\text{C}\)인 뷰탄-1-올보다 약간 높다.

여기에는 모순이 없다.

옥테인은 훨씬 더 크고, 전자가 더 많으며, 전자 구름의 분극성도 더 크다. 옥테인에 존재하는 많은 분산 상호작용이 합쳐져 강한 전체 분자간 인력을 만든다.

단순한 힘의 서열이 틀린 것은 아니다. 다만 불완전한 것이다.

10강한 인력이라고 해서 모두 수소 결합이라고 부르지 말 것

또 다른 흔한 실수는 분자에 수소가 있기만 하면 수소 결합이 있다고 판단하는 것이다.

메테인 \(\ce{CH4}\)에는 네 개의 C-H 결합이 있지만, 여기서 다루는 종류의 수소 결합은 형성하지 않는다.

왜 그럴까?

수소 결합이 일어나려면 수소가 전기음성도가 매우 큰 N, O 또는 F 원자에 직접 결합되어 있어야 하며, 그래야 그 결합이 충분히 강한 극성을 띤다.

따라서:

• \(\ce{H2O}\): 가능
• \(\ce{NH3}\): 가능
• \(\ce{HF}\): 가능
• \(\ce{CH3OH}\): 가능
• \(\ce{CH4}\): 불가능
• \(\ce{CH3CH3}\): 불가능

수소 원자가 존재한다는 사실과 수소 결합이 존재한다는 사실을 혼동하지 말아야 한다.

11분자 내 힘이 항상 “분자 안”을 뜻하는 것은 아니다

이 이름은 화학에서 다소 애매한 점을 만들 수 있다.

분자성 물질에서는 분자 내 힘이 개별 분자 내부의 결합을 뜻한다. 이것이 이 글에서 다루는 주요 비교이다.

하지만 이온 물질과 금속 물질은 서로 분리된 분자들로 이루어져 있지 않다.

예를 들어 고체 염화 나트륨은 \(\mathrm{Na}^{+}\)와 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 이온으로 이루어진 거대한 격자를 가진다. 고체 내부의 이온 사이 인력을 “분자간 힘”이라고 설명하는 것은 오해를 일으킬 수 있다. 서로 나란히 놓인 \(\ce{NaCl}\) 분자들이 존재하는 것이 아니기 때문이다.

마찬가지로 금속은 서로 분리된 금속 분자들이 아니라 금속 격자로 이루어져 있다.

따라서 분자간 힘을 논하기 전에 그 물질이 실제로 분자를 포함하는지 확인해야 한다.

12문제와 해설

문제 1

액체 암모니아 \(\ce{NH3}\) 시료를 끓을 때까지 가열한다.

각 암모니아 분자에서 주요 분자 내 힘을 찾고, 암모니아 분자 사이의 분자간 힘을 확인한 다음, 끓는 동안 어느 종류의 힘이 극복되는지 설명하라.

해설 1

끓는 과정에서는 암모니아 분자 사이의 분자간 힘이 극복되지만, 각 \(\ce{NH3}\) 분자 내부의 공유 N-H 결합은 그대로 유지된다.

N-H 결합은 분자 내 공유 결합이다. 이 결합은 각각의 질소 원자를 세 수소 원자와 결합시킨다.

모든 암모니아 분자는 런던 분산력을 경험한다.

암모니아는 극성이므로 쌍극자-쌍극자 인력도 경험한다. 또한 수소 원자가 질소에 직접 결합되어 있으므로 이웃한 암모니아 분자 사이에 수소 결합이 형성될 수 있다.

따라서 존재하는 분자간 힘은 런던 분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 수소 결합이다.

끓는 동안 암모니아 분자가 기체 상태로 들어갈 수 있을 만큼 이러한 분자간 인력이 극복된다.

\[ \ce{NH3(l) -> NH3(g)} \]

화학식이 변하지 않았으므로 N-H 공유 결합이 끊어지지 않았다는 것을 알 수 있다.

문제 2

두 분자성 물질은 비슷한 수의 전자를 가지고 있다.

물질 A는 비극성이다. 물질 B는 극성이지만 N, O 또는 F에 결합된 H 원자가 없다.

각 물질에는 어떤 분자간 힘이 작용하며, 두 물질의 모양도 비슷하다면 일반적으로 어느 물질의 분자간 인력이 더 강할 것으로 예상되는가?

해설 2

물질 B는 런던 분산력과 쌍극자-쌍극자 힘을 모두 경험하는 반면, 물질 A는 런던 분산력만 경험하므로 일반적으로 물질 B의 분자간 인력이 더 강할 것으로 예상된다.

모든 분자는 런던 분산력을 경험하므로 A와 B 모두 분산력을 가진다.

B는 극성이므로 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력도 가진다.

두 물질 중 어느 것도 수소 결합이 가능하다고 제시되지 않았다.

이 비교가 합리적인 이유는 문제에서 두 가지 중요한 변수를 통제하고 있기 때문이다. 분자들의 전자 수가 비슷하고 모양도 비슷하다. 따라서 두 물질의 분산력은 대체로 비슷할 것으로 예상할 수 있으며, B의 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력이 중요한 추가 요인으로 남는다.

여기서 함정은 물질 A가 비극성이므로 “분자간 힘이 없다”고 말하는 것이다. 비극성 분자에도 런던 분산력이 작용한다.

문제 3

에테인 \(\ce{C2H6}\)과 메탄올 \(\ce{CH3OH}\)은 모두 공유 결합을 포함한다.

한 학생이 “메탄올의 끓는점이 더 높은 이유는 O-H 공유 결합이 에테인의 C-H 결합보다 더 강하기 때문이다”라고 말한다.

이 학생의 추론에서 무엇이 잘못되었는지 설명하라.

해설 3

학생의 설명은 잘못된 종류의 힘을 사용하고 있다. 끓는점은 주로 분자간 인력에 의해 결정되며, 각 분자 내부에 그대로 남아 있는 공유 결합의 세기에 의해 결정되는 것이 아니다.

메탄올 분자에는 런던 분산력, 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력, 수소 결합이 작용한다.

에테인은 비극성이므로 그 분자들은 주로 런던 분산력에 의해 서로 끌어당긴다.

끓는 동안 메탄올의 O-H 공유 결합도, 에테인의 C-H 공유 결합도 끊어질 필요가 없다. 분자들은 이웃한 분자들로부터 분리되지만 화학적으로는 그대로 유지된다.

따라서 메탄올의 더 높은 끓는점은 분자 내 O-H 결합을 끊어야 하기 때문이 아니라, 특히 수소 결합을 포함한 더 강한 분자간 인력으로 설명된다.

“더 강한 결합”이 “끓이기 더 어렵다”는 뜻처럼 들리므로 이런 오개념에 빠지는 것은 이해할 만하다. 빠진 질문은 이것이다. 끓는 과정에서는 실제로 어떤 결합이나 힘을 극복하는가?

문제 4

염화 수소 \(\ce{HCl}\)는 극성이다. 염소 \(\ce{Cl2}\)는 비극성이다.

따라서 한 학생은 쌍극자-쌍극자 인력이 런던 분산력보다 강하므로 \(\ce{HCl}\)의 끓는점이 반드시 더 높을 것이라고 예측한다.

실제로는 염소의 끓는점이 더 높다. 이 관찰이 분자간 힘 이론과 모순되지 않는 이유를 설명하라.

해설 4

이 관찰은 이론과 모순되지 않는다. 런던 분산력의 세기는 전자 구름의 크기와 분극성에 크게 좌우되기 때문이다.

\(\ce{HCl}\)는 극성이다. 따라서 그 분자에는 런던 분산력과 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력이 모두 작용한다.

\(\ce{Cl2}\)는 비극성이므로 영구적인 쌍극자-쌍극자 인력은 없다. 하지만 런던 분산력은 존재한다.

학생의 숨은 가정은 모든 런던 분산력이 같은 세기를 가진다는 것이다. 그렇지 않다.

\(\ce{Cl2}\) 분자는 \(\ce{HCl}\) 분자보다 더 크고 분극성이 큰 전자 구름을 가진다. 따라서 전자 분포의 순간적인 변화가 더 강한 순간 쌍극자를 만들어 낼 수 있다.

그 결과 염소의 분산 인력이 충분히 강해져 전체적인 분자간 인력이 더 높은 끓는점을 만들어 낸다.

다음의 단순화된 순서는

\[ \text{수소 결합} > \text{쌍극자-쌍극자 힘} > \text{분산력} \]

분자들이 다른 면에서도 상당히 비슷할 때 가장 유용하다. 이 순서가 분자 크기와 분극성의 비교를 대신할 수는 없다.

문제 5

두 액체의 특성은 다음과 같다.

액체 P는 수소 결합을 형성할 수 있다. 액체 Q는 비극성이다.

한 학생은 수소 결합을 하는 액체의 끓는점이 비극성 액체보다 낮을 수는 없으므로 이 데이터가 틀렸을 것이라고 주장한다.

학생의 주장을 평가하라.

해설 5

학생의 주장은 틀렸다. 분자의 크기와 분극성이 증가하면 런던 분산력이 강해지므로, 더 큰 비극성 분자가 더 작은 수소 결합 분자보다 전체적으로 더 강한 분자간 인력을 가질 수 있다.

액체 P인 뷰탄-1-올에는 런던 분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 수소 결합이 작용한다.

액체 Q인 옥테인은 비극성이므로 런던 분산력에 의존한다.

두 분자의 크기가 비슷했다면 P의 수소 결합은 더 강한 분자간 인력을 예상할 수 있는 중요한 이유가 되었을 것이다. 하지만 두 분자의 크기는 비슷하지 않다.

옥테인은 훨씬 더 많은 전자를 포함하며 더 큰 전자 구름을 가진다. 따라서 전자 분포의 분극성이 더 커지고, 더 강한 순간 쌍극자와 더 강한 분산 인력이 생성된다.

또한 긴 탄화수소 구조 덕분에 이웃한 분자들과 상당히 넓게 접촉할 수 있다.

그 결과 옥테인의 전체 분자간 인력이 더 작은 뷰탄-1-올 분자들의 전체 분자간 인력을 넘어설 수 있으며, 이 때문에 옥테인의 끓는점이 약간 더 높다.

더 중요한 교훈은 존재하는 분자간 힘 중 “가장 강한 종류”의 이름만 확인하는 것으로는 충분하지 않다는 것이다. 인력에 기여하는 모든 중요한 요소를 비교해야 한다.

문제 6

밀폐된 용기에 분자성 물질이 들어 있고 이를 가열한다.

온도 \(T_1\)에서 물질은 고체에서 액체로 변한다. 더 높은 온도 \(T_2\)에서는 기체가 된다. 그보다 더 높은 온도 \(T_3\)에서는 화학 분석을 통해 서로 다른 분자식을 가진 새로운 물질들이 검출된다.

각 온도에서 분자 내 결합이 반드시 끊어져야 했는지 밝히고 그 이유를 설명하라.

해설 6

\(T_1\)과 \(T_2\)에서는 분자 내 결합이 끊어질 필요가 없지만, \(T_3\)에서는 새로운 물질이 존재하므로 화학 결합의 파괴와 형성이 일어나야 한다.

\(T_1\)에서 일어나는 녹음은 기존 분자들의 배열과 움직임을 변화시킨다. 입자들은 같은 화학종으로 남아 있으므로, 분자간 인력을 부분적으로 극복하는 것만으로 이러한 변화가 일어날 수 있다.

\(T_2\)에서 일어나는 끓음은 분자들을 훨씬 더 멀리 분리한다. 더 많은 분자간 인력이 극복되지만, 분자 자체는 여전히 화학적으로 온전하게 유지될 수 있다.

\(T_3\)에서는 증거가 달라진다. 서로 다른 새로운 분자식이 검출되었다.

분자의 정체성이 변하려면 원자들이 재배열되어야 한다. 그러려면 분자 내 화학 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성되어야 한다.

중요한 차이는 단순히 \(T_3\)가 “더 뜨겁다”는 것이 아니다. 핵심적인 증거는 입자 자체의 화학적 정체성이 변했다는 것이다.

분자 내 결합과 분자간 인력을 구분할 수 있게 되면 끓는점, 녹는점, 휘발성, 점도, 그리고 여러 용해도 경향을 훨씬 더 쉽게 설명할 수 있다. 다음으로 유용한 단계는 분자의 극성과 분자간 힘을 어떤 물질은 특정 용매에는 녹지만 다른 용매에는 녹지 않는 이유와 연결하는 것이다.