공유 결합 분자 구조와 분자 간 힘

물을 비커에서 끓이면 액체가 기체로 변합니다. 분명 무언가가 서로 떨어져 나간 것입니다. 그렇다면 무엇이 떨어져 나간 것일까요?

계속 읽기 전에 예측해 보세요. 물이 끓을 때 각 \(\ce{H2O}\) 분자 내부의 강한 O-H 공유 결합이 끊어질까요, 아니면 분자들이 단순히 서로 멀어질까요?

두 번째 답이 맞습니다. 물 분자는 기체 상태가 되어도 여전히 \(\ce{H2O}\)로 남아 있습니다. 끓는 과정에서는 물 분자 사이의 인력을 극복합니다. 일반적으로 분자 내부의 공유 결합을 끊는 것은 아닙니다.

이 구분이 공유 결합 분자 물질을 이해하는 핵심입니다. 이러한 물질의 관찰 가능한 성질은 서로 다른 두 수준의 구조에 의해 결정됩니다. 하나는 각 분자를 이루는 강한 공유 결합이고, 다른 하나는 서로 떨어진 분자들 사이에 작용하는 훨씬 약한 분자 간 힘입니다.

01공유 결합 분자 물질이란 무엇인가?

수백만 개의 작고 서로 분리된 묶음으로 이루어진 물질을 상상해 보세요. 각 묶음이 하나의 분자입니다.

각 분자 내부에서는 원자들이 공유 결합을 통해 전자를 공유합니다. 이러한 결합은 강합니다. 그러나 한 분자가 주변의 모든 분자와 공유 결합으로 연결되어 있는 것은 아닙니다.

이처럼 서로 분리된 입자를 독립적인 분자라고 합니다.

예를 들어, 이산화 탄소는 각각의 \(\ce{CO2}\) 분자로 이루어져 있습니다.

\[ \ce{O=C=O} \]

각 탄소 원자는 하나의 분자 안에서 두 산소 원자와 강한 공유 결합을 하고 있습니다. 그러나 한 \(\ce{CO2}\) 분자가 다음 \(\ce{CO2}\) 분자와 또 다른 공유 결합으로 연결되어 있는 것은 아닙니다.

같은 기본 개념은 다음과 같은 물질에도 적용됩니다.

• \(\ce{H2O}\), 물
• \(\ce{NH3}\), 암모니아
• \(\ce{CH4}\), 메테인
• \(\ce{CO2}\), 이산화 탄소
• \(\ce{I2}\), 아이오딘
• \(\ce{CH3OH}\), 메탄올

이는 공유 결합이 거대한 구조 전체에 연속적으로 이어지는 공유 결합 네트워크 구조와는 다릅니다. 다이아몬드는 공유 결합 네트워크 물질의 한 예입니다.

이 차이는 녹는점과 끓는점을 설명할 때 매우 중요해집니다.

02구분해야 할 두 종류의 인력

두 물 분자가 서로 나란히 있다고 가정해 봅시다.

각 분자 내부에서는 산소 원자와 수소 원자가 공유 결합으로 연결되어 있습니다. 두 분자 사이에는 분자 간 인력이 작용합니다.

붐비는 기차 안에서 두 사람이 손을 잡고 서 있는 모습을 생각하면 이해하기 쉽습니다. 두 사람이 서로 손을 잡는 힘은 분자 내부의 공유 결합을 나타냅니다. 주변의 사람들이 이들을 다른 사람들 쪽으로 밀어붙이는 것은 분자 간 힘에 비유할 수 있습니다.

기차 안 사람들이 모두 내리고 두 사람이 다른 사람들로부터 멀어진다고 해도, 서로 잡은 손을 놓을 필요는 없습니다. 마찬가지로 분자 물질이 끓을 때에는 일반적으로 분자 내부의 공유 결합을 끊지 않은 채 분자들이 서로 분리됩니다.

물론 이 비유에는 한계가 있습니다. 분자가 누구를 붙잡을지 선택하는 것은 아니며, 분자 간 힘은 전하와 전자 분포에 관련된 정전기적 상호작용에서 생깁니다. 하지만 이 비유는 중요한 구조적 차이를 잘 보여 줍니다.

분자 내 힘

분자 내라는 말은 한 분자 안에서 작용한다는 뜻입니다.

공유 결합 분자 물질에서는 주로 원자들을 연결하는 공유 결합이 이에 해당합니다.

공유 결합을 끊으면 분자가 화학적으로 변합니다. 예를 들어 물에서 O-H 결합을 끊는 것은 단순히 물을 끓이는 것이 아닙니다.

분자 간 힘

분자 간이라는 말은 분자와 분자 사이에서 작용한다는 뜻입니다.

이러한 인력은 다음과 같은 물리적 성질에 영향을 줍니다.

• 녹는점
• 끓는점
• 휘발성
• 특정 조건에서 물질이 고체, 액체 또는 기체인지 여부
• 용해도
• 많은 경우의 점도

매우 흔한 실수는 “물은 공유 결합이 강하기 때문에 끓는점이 높다”라고 쓰는 것입니다.

물의 공유 결합이 강한 것은 분명하지만, 끓을 때 극복되는 것은 그 결합이 아닙니다. 관련된 인력은 물 분자 사이의 분자 간 힘입니다.

03분자 간 힘은 어디에서 오는가?

전자와 원자핵은 전하를 띱니다. 따라서 분자 전체의 순전하가 0이더라도 분자 내부의 전하 분포에 따라 주변 분자와의 인력이 생길 수 있습니다.

HSC Chemistry에서 중요한 분자 간 힘은 세 가지입니다.

하나의 분자는 둘 이상의 종류의 분자 간 힘을 경험할 수 있습니다.

예를 들어 물에는 런던 분산력과 수소 결합이 모두 존재합니다. 물의 비정상적으로 높은 끓는점을 설명할 때에는 일반적으로 수소 결합에 초점을 맞춥니다. 이 비교에서 그 상호작용의 영향이 가장 크기 때문입니다.

04런던 분산력은 모든 분자 물질에 존재한다

\(\ce{I2}\)와 같은 분자부터 생각해 봅시다.

이 분자는 전체적으로 비극성입니다. 따라서 두 아이오딘 분자가 서로 끌어당길 수 없다고 예상할 수도 있습니다.

하지만 실제로는 서로 끌어당깁니다.

전자는 끊임없이 움직이고 있습니다. 특정 순간에 한 분자의 전자 구름이 약간 불균일해질 수 있습니다. 한쪽은 일시적으로 더 음전하를 띠고, 다른 쪽은 일시적으로 더 양전하를 띠게 됩니다.

이 일시적인 쌍극자는 가까운 분자의 전자 구름을 변형시켜 유도 쌍극자를 만들 수 있습니다. 그러면 두 분자 사이에 인력이 생깁니다.

이러한 인력을 런던 분산력이라고 합니다.

모든 원자와 분자에는 전자가 들어 있으므로 이러한 힘은 모든 입자 사이에 존재합니다.

분산력을 더 강하게 만드는 요인은 무엇인가?

유용한 일반적 경향으로, 입자의 전자 구름이 더 크고 더 쉽게 변형될수록 분산력은 강해집니다.

할로젠을 비교해 봅시다.

• \(\ce{F2}\)
• \(\ce{Cl2}\)
• \(\ce{Br2}\)
• \(\ce{I2}\)

분자가 더 커지고 포함된 전자 수가 증가할수록 전자 구름의 분극성이 커집니다. 따라서 분산력도 강해집니다.

이는 실온 조건에서 \(\ce{F2}\)와 \(\ce{Cl2}\)는 기체이고, \(\ce{Br2}\)는 액체이며, \(\ce{I2}\)는 고체인 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

“전자가 많을수록 분산력이 강해진다”는 규칙은 유용하지만, 모든 비교에 적용되는 절대적인 법칙으로 생각해서는 안 됩니다. 분자의 모양과 분자들이 서로 얼마나 가까이 접근할 수 있는지도 영향을 줄 수 있습니다.

05극성 분자에서는 쌍극자-쌍극자 인력이 추가된다

이제 염화 수소, \(\ce{HCl}\)을 생각해 봅시다.

염소는 수소보다 공유된 결합 전자를 더 강하게 끌어당깁니다. 따라서 H-Cl 결합의 전자 밀도는 불균일합니다.

수소는 부분 양전하인 \(\delta+\), 염소는 부분 음전하인 \(\delta-\)를 띤다고 표현합니다.

이 분자에는 영구 쌍극자가 있습니다.

서로 이웃한 \(\ce{HCl}\) 분자들은 부분 양전하 영역과 부분 음전하 영역이 서로 끌어당기도록 배열되는 경향이 있습니다. 이러한 인력을 쌍극자-쌍극자 힘이라고 합니다.

중요한 점은 \(\ce{HCl}\)에도 분산력이 존재한다는 것입니다. 분자가 극성이라고 해서 분산력이 사라지는 것은 아닙니다.

06극성 결합이 있다고 해서 분자가 자동으로 극성이 되는 것은 아니다

이 주제에서 가장 유용한 구분 중 하나입니다.

이산화 탄소를 생각해 봅시다. 산소가 탄소보다 결합 전자를 더 강하게 끌어당기므로 각각의 C=O 결합은 극성입니다.

그렇다면 전체 분자를 예측해 보세요. \(\ce{CO2}\)는 극성일까요?

전체적으로는 비극성입니다.

분자는 선형입니다.

\[ \ce{O=C=O} \]

두 결합 쌍극자는 크기가 같고 서로 반대 방향을 가리킵니다. 따라서 그 효과가 상쇄됩니다.

물은 다릅니다. 물의 O-H 결합 역시 극성이지만 \(\ce{H2O}\) 분자는 굽은 형태입니다. 결합 쌍극자가 정확히 반대 방향을 향하지 않으므로 서로 상쇄되지 않습니다.

따라서 물은 전체적인 분자 쌍극자를 가집니다.

이를 바탕으로 다음과 같은 중요한 판단 과정을 사용할 수 있습니다.

1. 각각의 결합이 극성인지 판단한다.
2. 분자의 모양을 결정한다.
3. 결합 쌍극자의 방향을 고려한다.
4. 쌍극자들이 서로 상쇄되는지 판단한다.
5. 전체적인 분자 극성을 이용해 관련된 분자 간 힘을 확인한다.

풀이 예시: 이산화 탄소는 왜 비극성인가?

각 C=O 결합은 극성인데도 \(\ce{CO2}\)가 비극성인 이유를 설명해 보세요.

1단계: 극성 결합을 찾습니다.

산소는 탄소보다 전기음성도가 크므로 각각의 C=O 결합에는 전자 밀도가 불균일하게 분포합니다.

2단계: 분자의 모양을 고려합니다.

\(\ce{CO2}\) 분자는 선형이며 결합각은 \(180^\circ\)입니다.

3단계: 결합 쌍극자를 벡터로 생각합니다.

두 C=O 결합 쌍극자는 크기가 같고 서로 반대 방향을 가리킵니다.

4단계: 전체적인 효과를 구합니다.

쌍극자들이 서로 상쇄되므로 분자에는 영구적인 알짜 쌍극자가 없습니다.

따라서 \(\ce{CO2}\)는 비극성 분자입니다. 하지만 \(\ce{CO2}\) 분자들도 런던 분산력을 통해 서로 끌어당깁니다.

중요한 교훈은 결합의 극성과 분자의 극성은 같은 개념이 아니라는 것입니다.

07수소 결합은 특히 강한 분자 간 인력이다

물을 비슷한 크기의 작은 분자들과 비교하면 특이한 성질을 보입니다.

물의 몰 질량은 약 \(18.0\ \text{g mol}^{-1}\)에 불과하지만 일반적인 실온에서 액체입니다. 비슷하게 작은 많은 분자들은 기체입니다.

왜 그럴까요?

물의 O-H 결합은 강한 극성을 띱니다. 산소는 상당한 부분 음전하를 띠고, 산소와 결합된 수소들은 부분 양전하를 띱니다.

한 물 분자에서 산소와 결합된 수소 원자는 이웃한 물 분자의 산소 원자에 있는 비공유 전자쌍과 강하게 끌어당길 수 있습니다.

이러한 인력을 수소 결합이라고 합니다.

일반적으로 HSC 수준에서 다루는 화합물에서는 수소가 다음 원소에 직접 공유 결합되어 있을 때 수소 결합이 일어납니다.

• 질소, N
• 산소, O
• 플루오린, F

또한 가까운 분자에는 전자가 풍부한 적절한 N, O 또는 F 영역이 있어야 합니다.

표현에 주의해야 합니다. 수소 결합은 물 분자 내부의 공유 결합인 O-H 결합이 아닙니다. 서로 다른 분자들이 관여하는 분자 간 인력입니다.

풀이 예시: 메탄올과 다이메틸 에터

메탄올 \(\ce{CH3OH}\)과 다이메틸 에터 \(\ce{CH3OCH3}\)는 분자식이 모두 \(\ce{C2H6O}\)이므로 몰 질량도 같습니다. 메탄올의 끓는점이 더 높습니다. 그 이유를 설명해 보세요.

1단계: 분자 크기를 비교합니다.

두 분자는 같은 종류와 같은 수의 원자로 이루어져 있으므로 전자 수와 몰 질량이 매우 비슷합니다. 따라서 분산력의 차이만으로는 끓는점의 큰 차이를 설명하기에 충분하지 않습니다.

2단계: 극성 결합과 분자 간 힘을 찾습니다.

두 화합물 모두 극성 C-O 결합을 포함하며 쌍극자-쌍극자 인력을 경험합니다.

3단계: 수소 결합이 가능한지 구체적으로 확인합니다.

메탄올에는 O-H 결합이 있습니다. 따라서 메탄올 분자들은 서로 수소 결합을 형성할 수 있습니다.

다이메틸 에터에도 산소는 있지만, 수소 중 어느 것도 산소에 직접 결합되어 있지 않습니다. 따라서 순수한 다이메틸 에터에서는 그 분자들끼리 메탄올과 같은 수소 결합 네트워크를 형성할 수 없습니다.

4단계: 구조를 끓는 현상과 연결합니다.

메탄올은 분자 간 인력이 더 강하므로 메탄올 분자들을 서로 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

따라서 메탄올의 끓는점이 더 높습니다.

우리가 말하지 않은 것에도 주목하세요. 메탄올의 공유 결합이 반드시 더 강하다고 주장하지 않았습니다. 끓는 현상은 주로 온전한 분자들을 서로 분리하는 과정입니다.

08분자 간 힘이 녹는점과 끓는점에 미치는 영향

분자 물질이 녹거나 끓으려면 분자들이 서로 가까이 있도록 붙잡아 두는 인력 중 일부를 극복할 만큼 충분한 에너지를 얻어야 합니다.

분자 간 힘이 강할수록 일반적으로 더 많은 에너지가 필요합니다.

따라서 다른 조건들이 충분히 비슷하다면:

\[ \text{더 강한 분자 간 힘} \longrightarrow \text{더 높은 녹는점 또는 끓는점} \]

끓는 현상에서는 이 관계가 특히 유용합니다. 기체 상태가 되면 분자들이 서로 크게 떨어져야 하기 때문입니다.

녹는점은 예측이 다소 어려울 수 있습니다. 고체 결정에서 분자들이 어떤 방식으로 배열되는지도 중요하기 때문에, 서로 비슷한 두 화합물의 녹는점이 예상한 단순한 경향을 따르지 않는 경우도 있습니다.

이는 유용한 첫 번째 모델에 한 단계 더 정밀한 설명이 필요한 좋은 예입니다.

09분자 간 힘이 강할수록 일반적으로 휘발성은 낮다

휘발성이 높은 액체는 쉽게 증발합니다.

한 분자가 액체에서 빠져나와 기체 상태가 되려면 주변 분자들과의 인력을 극복해야 합니다.

이러한 인력이 강하면 같은 온도에서 빠져나갈 만큼 충분한 에너지를 가진 분자의 수가 더 적습니다.

따라서 분자 간 힘이 강할수록 일반적으로 다음과 같은 경향이 나타납니다.

• 휘발성이 낮다
• 같은 온도에서 증기압이 낮다
• 끓는점이 높다

이들은 서로 다른 세 가지 관찰 결과이지만, 모두 같은 근본적인 원리와 연결되어 있습니다.

예를 들어 같은 조건에서 액체 A가 액체 B보다 훨씬 빠르게 증발한다면, A의 분자 간 인력이 더 약하다는 것이 합리적인 첫 번째 가설입니다. 다만 공정한 비교를 하려면 온도와 노출된 표면적을 포함한 다른 변수들도 통제해야 합니다.

10대부분의 분자 물질이 전기를 전도하지 않는 이유

전기 전도에는 이동할 수 있는 하전 입자가 필요합니다.

순수한 공유 결합 분자 물질은 주로 중성 분자로 이루어져 있습니다. 그 전자들은 금속의 비편재화된 전자처럼 물질 전체를 자유롭게 이동하는 것이 아니라 결합과 전자 구름 안에 국한되어 있습니다.

따라서 대부분의 순수한 분자 물질은 전기 전도성이 낮습니다.

하지만 여기에는 중요한 함정이 있습니다.

“분자로 이루어져 있다”는 것이 “절대로 전도성 용액을 만들 수 없다”는 뜻은 아닙니다.

염화 수소는 순수한 상태에서는 분자 물질이지만, 물에 녹으면 반응하여 이온을 생성합니다.

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

이러한 이동 가능한 수용액 속 이온들 때문에 용액은 전기를 전도할 수 있습니다.

따라서 항상 주어진 조건에서 실제로 어떤 입자들이 존재하는지 확인해야 합니다.

11용해도는 용매와의 상호작용에 달려 있다

학생들은 흔히 “비슷한 것끼리 잘 녹는다”라는 말을 배웁니다.

이는 유용하지만 완전한 물리 법칙이라기보다는 간단한 경험 법칙입니다.

어떤 물질이 녹을 때에는 크게 세 가지 변화가 중요합니다.

1. 용질 입자들 사이의 인력 일부가 깨져야 한다
2. 용매 분자들 사이의 인력 일부가 깨져야 한다
3. 새로운 용질-용매 인력이 형성된다

새롭게 형성되는 상호작용이 깨뜨려야 했던 상호작용을 충분히 보상할 수 있을 때 용해가 더 유리해지는 경향이 있습니다.

이 때문에 극성 분자 물질은 물과 같은 극성 용매에 잘 녹는 경우가 많습니다.

예를 들어 메탄올은 물과 쉽게 섞입니다. 메탄올의 극성 O-H 영역은 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있습니다.

비극성 분자는 일반적으로 물과의 상호작용이 더 약합니다. 이미 존재하는 분산력 상호작용과 더 잘 맞는 비극성 용매에는 더 잘 녹는 경우가 많습니다.

이를 “극성 물질은 항상 극성 용매에 녹는다”로 단순화해서는 안 됩니다. 분자 크기도 중요합니다. 하나의 극성 작용기를 포함하더라도 매우 큰 비극성 영역을 가진 분자는 물에 대한 용해도가 크게 낮아질 수 있습니다.

12구조에서 성질로 연결하는 신뢰할 수 있는 방법

HSC 문제에서 분자 구조를 관찰 가능한 성질과 연결하라고 할 때에는 분자식에서 바로 성질로 건너뛰지 마세요.

다음 순서로 생각하세요.

\[ \text{구조} \rightarrow \text{극성} \rightarrow \text{분자 간 힘} \rightarrow \text{필요한 에너지} \rightarrow \text{성질} \]

끓는점을 비교하는 경우에는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

분자 X에는 O-H 결합이 있어 분자 사이에 수소 결합을 형성할 수 있다. 분자 Y는 그 분자들끼리 수소 결합을 형성할 수 없다. 따라서 X의 분자 간 인력이 더 강하므로 분자들을 기체 상태로 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요하다. 그러므로 X의 끓는점이 더 높다.

이 설명은 단순히 “X에는 수소 결합이 있으므로 끓는점이 더 높다”라고 쓰는 것보다 훨씬 더 좋습니다.

그 사이에 빠지기 쉬운 중요한 물리적 연결 고리는 다음과 같습니다. 분자들을 서로 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

13가장 쉽게 빠지는 오개념: “강한 공유 결합은 높은 끓는점을 의미한다”

메테인 \(\ce{CH4}\)을 끓인다고 가정해 봅시다.

학생은 C-H 결합이 공유 결합이고 공유 결합은 강하므로 메테인의 끓는점도 매우 높아야 한다고 생각할 수 있습니다.

첫 번째 진술은 맞습니다. 하지만 결론은 맞지 않습니다.

끓는 동안 메테인 분자들은 서로 멀어집니다.

\[ \ce{CH4(l) -> CH4(g)} \]

C-H 공유 결합은 그대로 유지됩니다. 상태 변화 과정에서는 주로 서로 다른 메테인 분자 사이의 분자 간 인력을 극복합니다.

메테인은 작고 비극성이므로 분자 간 인력은 상대적으로 약한 런던 분산력입니다. 따라서 각 분자 내부에는 강한 공유 결합이 존재하지만 끓는점은 낮습니다.

이를 다이아몬드와 비교해 보세요. 다이아몬드는 연속적인 공유 결합 네트워크를 가집니다. 서로 분리된 분자가 존재하지 않기 때문에 구조를 무너뜨릴 때 단순히 독립적인 분자들을 서로 떼어 낼 수 없습니다. 바로 이 차이 때문에 분자형 공유 결합 물질과 공유 결합 네트워크 물질은 물리적 성질에서 매우 큰 차이를 보일 수 있습니다.

14문제와 해설

문제 1

아이오딘 \(\ce{I2}\)은 비극성 분자 물질입니다. 아이오딘 분자 사이의 주된 분자 간 힘을 밝히고, 분자가 비극성인데도 이 힘이 존재할 수 있는 이유를 설명하세요.

해설 1

\(\ce{I2}\) 분자 사이의 주된 분자 간 인력은 런던 분산력입니다.

아이오딘 분자 내부의 전자들은 끊임없이 움직입니다. 어느 한 순간에는 전자가 불균일하게 분포하여 일시적인 쌍극자를 만들 수 있습니다. 이 일시적인 쌍극자는 이웃한 \(\ce{I2}\) 분자의 전자 구름을 변형시켜 또 다른 쌍극자를 유도할 수 있습니다.

일시적으로 생긴 서로 반대인 부분 전하 사이에 인력이 작용합니다.

중요한 함정은 비극성이면 “분자 간 힘이 없다”고 생각하는 것입니다. 모든 원자와 분자에는 움직이는 전자가 있으므로 런던 분산력이 작용합니다.

문제 2

메테인 \(\ce{CH4}\)과 에테인 \(\ce{C2H6}\)은 둘 다 비극성 분자입니다. 에테인의 끓는점이 더 높습니다.

분자 구조와 분자 간 힘을 이용하여 이 차이를 설명하세요.

해설 2

에테인은 더 큰 전자 구름을 가지므로 런던 분산력이 더 강하고, 그 결과 끓는점이 더 높습니다.

메테인과 에테인은 둘 다 비극성이므로 분자 간 인력은 주로 분산력에 의해 결정됩니다. 에테인 분자는 메테인 분자보다 전자 수가 많고 전자 구름이 더 크며 더 쉽게 분극됩니다.

이 때문에 에테인에서는 일시적인 쌍극자와 유도 쌍극자가 일반적으로 더 강하게 형성됩니다.

따라서 에테인 분자들을 서로 분리하여 기체 상태로 만드는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 에테인의 끓는점이 더 높습니다.

함정은 두 물질이 같은 종류의 분자 간 힘을 가진다고 해서 끓는점도 비슷해야 한다고 생각하는 것입니다. 그 힘의 세기는 여전히 다를 수 있습니다.

문제 3

이산화 탄소 \(\ce{CO2}\)에는 극성 C=O 결합이 있습니다. 물 \(\ce{H2O}\)에는 극성 O-H 결합이 있습니다.

\(\ce{CO2}\)는 전체적으로 비극성인 반면 \(\ce{H2O}\)는 극성인 이유를 설명하고, 각 물질에서 일반적으로 가장 중요하게 강조되는 가장 강한 종류의 분자 간 인력을 밝히세요.

해설 3

\(\ce{CO2}\)는 결합 쌍극자들이 서로 상쇄되므로 전체적으로 비극성이고, \(\ce{H2O}\)는 결합 쌍극자들이 상쇄되지 않으므로 극성입니다.

이산화 탄소는 선형입니다. 크기가 같은 두 C=O 결합 쌍극자가 서로 반대 방향을 가리키므로 벡터 합은 0입니다. 따라서 \(\ce{CO2}\)에는 영구적인 분자 쌍극자가 없으며, 분자 간 인력은 주로 런던 분산력입니다.

물은 굽은 형태입니다. 두 O-H 결합 쌍극자가 정확히 반대 방향이 아니라 서로 각도를 이루기 때문에 상쇄되지 않습니다. 따라서 물에는 영구적인 분자 쌍극자가 있습니다.

또한 수소가 산소에 직접 결합되어 있으므로 물 분자들은 서로 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 따라서 물의 물리적 성질을 설명할 때 일반적으로 강조되는 분자 간 인력은 수소 결합입니다.

함정은 결합의 극성만으로 분자의 극성을 판단하는 것입니다. 분자의 모양도 반드시 고려해야 합니다.

문제 4

몰 질량이 비슷한 두 분자성 액체 P와 Q가 있습니다.

P는 구조가 \(\ce{CH3CH2OH}\)인 분자들로 이루어져 있습니다.

Q는 구조가 \(\ce{CH3OCH3}\)인 분자들로 이루어져 있습니다.

한 학생이 다음과 같이 말했습니다.

“두 화합물 모두 산소를 포함하므로 각각의 분자들 사이에 똑같이 강한 수소 결합을 형성할 것이다.”

학생의 추론을 평가하고 어느 액체의 끓는점이 더 높을지 예측하세요.

해설 4

학생의 추론은 틀렸으며, P인 \(\ce{CH3CH2OH}\)의 끓는점이 더 높아야 합니다.

P에는 O-H 결합이 있습니다. 수소가 전기음성도가 큰 산소 원자에 직접 결합되어 있기 때문에 P 분자들은 서로 수소 결합을 형성할 수 있습니다.

Q에는 비공유 전자쌍을 가진 산소 원자가 있지만 수소들은 산소가 아니라 탄소에 결합되어 있습니다. 따라서 Q 분자들끼리는 P에서와 같은 종류의 수소 결합 상호작용을 형성할 수 없습니다.

두 물질 모두 런던 분산력을 경험하며, 둘 다 충분히 극성이므로 쌍극자-쌍극자 상호작용도 경험합니다. 하지만 P에는 강한 수소 결합이라는 추가적인 상호작용이 있습니다.

따라서 끓을 때 P 분자들을 서로 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 P의 끓는점이 더 높습니다.

오개념은 단순히 N, O 또는 F를 포함하고 있다는 것만으로 순수한 물질에서 자동으로 수소 결합이 생긴다고 생각하는 것입니다. 수소 원자가 어디에 결합되어 있는지가 중요합니다.

문제 5

한 학생에게 세 가지 물질이 주어졌습니다.

• A는 작고 비극성인 독립적인 분자들로 이루어져 있다.
• B는 수소 결합이 가능한 극성의 독립적인 분자들로 이루어져 있다.
• C는 원자들이 공유 결합으로 연결된 연속적인 3차원 네트워크 구조로 이루어져 있다.

학생은 끓는점의 순서가 반드시 다음과 같다고 예측합니다.

\[ A < B < C \]

A와 B를 비교한 추론은 타당한 이유를 설명하고, 동시에 C의 거동을 단순히 “더 강한 분자 간 힘”으로 설명하는 것이 왜 틀린지 설명하세요.

해설 5

분자 크기가 충분히 비슷하다면 \(A < B\)라는 비교는 합리적이지만, C는 더 강한 분자 간 힘이 아니라 공유 결합 네트워크 결합을 이용해 설명해야 합니다.

A는 작고 비극성인 분자들로 이루어져 있으므로 분자들은 주로 상대적으로 약한 런던 분산력에 의해 서로 끌어당깁니다.

B는 분자 사이에 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 이러한 더 강한 분자 간 인력을 극복하려면 일반적으로 더 많은 에너지가 필요하므로, B는 비슷한 크기의 작은 비극성 분자 물질보다 보통 끓는점이 더 높습니다.

C는 근본적으로 다릅니다. C는 분자 간 인력으로 서로 붙어 있는 독립적인 분자들로 구성되어 있지 않습니다. 대신 공유 결합이 연속적인 네트워크 전체에 걸쳐 이어져 있습니다.

함정은 모든 공유 결합 물질을 하나의 분자 간 힘 척도 위에 놓으려는 것입니다. 분자 간 힘은 서로 분리된 분자 사이의 인력을 설명합니다. 공유 결합 네트워크에는 그러한 역할을 하는 독립적인 분자들이 없습니다.

따라서 C의 구조를 무너뜨리려면 온전한 분자들을 단순히 분리하는 것이 아니라 광범위한 공유 결합을 극복해야 합니다.

문제 6

순수한 염화 수소 \(\ce{HCl}\)는 공유 결합 분자 물질입니다. 따라서 한 학생은 다음과 같이 예측합니다.

“HCl을 포함한 시료는 전기를 전도하지 않을 것이다. 공유 결합 분자 물질에는 이동 가능한 이온이 없기 때문이다.”

이 예측은 기체 상태의 \(\ce{HCl}\)에는 맞지만, HCl 수용액은 전기를 강하게 전도합니다.

이 두 관찰이 서로 모순되지 않는 이유를 설명하세요.

해설 6

\(\ce{HCl}\)이 물과 반응하면 존재하는 입자의 종류가 달라지므로 모순이 아닙니다.

기체 상태의 염화 수소는 주로 중성 \(\ce{HCl}\) 분자로 이루어져 있습니다. 이러한 분자는 전류를 운반할 수 있는 이동 가능한 이온을 제공하지 않습니다.

하지만 물속에서는 염화 수소가 물에 양성자를 전달합니다.

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

따라서 수용액에는 이동 가능한 \(\ce{H3O+}\) 이온과 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 이온이 존재합니다. 이러한 하전 입자들은 용액을 통해 이동하면서 전류를 운반할 수 있습니다.

학생의 주장에 숨어 있는 가정은 물질이 용해된 뒤에도 용해되기 전과 정확히 같은 입자들로 존재해야 한다는 것입니다. 하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 전기 전도성을 설명할 때에는 원래 물질의 결합 종류만을 근거로 판단하지 말고, 주어진 조건에서 실제로 존재하는 입자를 확인해야 합니다.

15이 내용을 바탕으로 다음에 설명할 수 있는 것

분자 모양에서 시작해 극성, 분자 간 힘, 관찰 가능한 성질로 자연스럽게 연결할 수 있게 되면 이후의 여러 개념도 더 쉽게 이해할 수 있습니다.

분자식이 비슷한 물질들의 끓는점이 크게 다른 이유, 어떤 분자 물질은 물에 잘 녹지만 다른 물질은 그렇지 않은 이유, 그리고 순수한 분자 물질이 용매와 반응한 뒤에는 다른 성질을 보일 수 있는 이유를 설명할 수 있습니다.

다음으로 유용한 비교 대상은 이온 구조와 공유 결합 네트워크 구조입니다. 이 경우 질문은 “무엇이 분자들을 서로 붙잡고 있는가?”에서 “애초에 서로 분리된 분자가 존재하는가?”로 바뀝니다. 이러한 구조적 판단은 물질의 녹는점, 전기 전도성, 용해도, 물리적 상태를 설명하는 가장 빠른 방법이 되는 경우가 많습니다.