Transcript 수소 결합
Chapter 12 분자간 인력과 액체, 고체의 특성 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 12.1 기체, 액체, 고체와 분자간 거리 물질의 상태 기체 액체 고체 부피/모양 용기의 부피와 모양이라고 가정 일정한 부피 그러나 모양은 용기의 모양 일정한 부피와 모양 밀도 낮음 높음 높음 압축도 분자의 운동 매우 압축 매우 자유로운 가능 운동 아주 약간 서로 자유롭게 압축 가능 미끄러짐 사실상 압축 고정된 위치 근처 불가능 에서 진동 12.2 분자간 힘의 형태 분자간 힘은 분자들 사이에 서로 당기는 힘 ※ 반데르발스 힘(van der Waals force) 1) London 분산력 (유도 쌍극자) 2) 쌍극자 - 쌍극자 3) 이온 - 쌍극자 ※수소결합: 특별히 강한 쌍극자-쌍극자 힘 일반적으로 분자간 힘은 분자 내 인력보다 적다. Cl H Cl H 1) London 힘 (분산력) 비 극성 분자의 경우 원자나 분자에 한시적으로 유도된 쌍극자 (유도 쌍극자)에 의해 생기는 인력 – 모든 분자에 존재 원자들이 서로에게 접근할 때, 원자가 전자들이 상호작용한다. 반발력이 전자구름을 뒤틀리게 하고 극성을 갖게 한다. 순간 유도 쌍극자는 이러한 뒤틀림으로부터 생성된다. 1/d6 로 감소한다. (d = 분자간 거리) London 힘의 세기 London 분산력은 다음에 의존한다. 1) 편극도: 전자 구름이 일그러지기 쉬운 정도 (전자구름의 부피가 증가하면, 편극도 증가) 즉 원자가 커지면 끓는 점 증가 - 분산력 커짐 (표12.1) 2) 분자 내 원자의 수 원자의 수가 증가할수록, 분산력 커짐 (표 12.2) 3) 분자 모양 밀집된 형태를 가진 분자들이 긴 사슬 모양의 분자 보다 더 약한 분산력을 가짐. (그림 12.5-6) 2) 쌍극자-쌍극자 힘(dipole-dipole force) 극성 분자(쌍극자 모멘트를 갖는 분자)들 사이에 작용하는 힘으로서 정전기 인력에 의한 쿨롱의 법칙으로 이해. 인력 (- - -)이 반발력(- - -) 보다 커서, 분자들은 서로 알짜 인력을 느낀다. 공유결합 세기의 약 1-5 % 1/d3 로 감소한다. (d = 분자간 거리) 수소 결합(Hydrogen bond) N-H, O-H 또는 F-H와 같은 극성 결합내의 수소(H) 원자와 전기음성도가 큰 O, N, 또는 F 같은 원자간의 특별한 간섭 특별히 강한 쌍극자-쌍극자 힘 (공유 결합의 약 5-10% 매우 강함) 물에서 수소 결합 물이 얼 때 부피 팽창의 원인 수소 결합은 액체에서 강한 인력으로 작용한다. 얼음 속에서 물 분자 사이의 수소결합 (점선)은 사면체 배열을 형성한다. 수소 결합 증거 : 비슷한 분자량을 가진 분자보다 끓는점이 높다. 3) 이온-쌍극자 힘(ion-dipole force) 양이온 또는 음이온과 극성 분자 사이에 작용하는 힘 - 쿨롱 법칙으로 설명 AlCl3·6H2O 이온 - 유도 쌍극자 인력 ◆ 유도 쌍극자(induced dipole): 이온이나 극성분자의 근접에 의해 원자나 비극성분자 내의 양전하와 음전하의 분리 쌍극자 - 유도쌍극자 인력 분자간 인력 표 12.3 예제 12.1 다음은 (a)에탄올(에틸 알코올)과 (b)프로필렌 글리콜 (무독성 부동액)의 구조식이다. 어떤 화합물이 더 높은 끓는 점을 가질 것으로 예상되는가? (풀이) H H H H H H C C OH H C C C OH H OH H H H (a) (b) 두 화합물은 모두 OH기를 가지고 있으므로 수소결합을 할 것이며, 모든 분자는 Lodon 분산력을 가지므로 이 두 가지 힘을 통하여 끓는 점을 예측할 수 있다. 1) 수소 결합: (b)가 두 개의 OH기를 가지고 있으므로 더 강한 수소결합 2) Lodon 분산력: 역시 (b)가 더 많은 원자를 가지고 있으므로 더 강한 Lodon 분산력을 나타낼 것임. 결국 (b) 프로필렌 글리콜 이 더 높은 끓는 점을 나타낼 것으로 예측 예제 다음 화합물에 존재하는 분자간 힘의 종류를 확인하고, 다음을 끓는점 증가의 순서대로 정렬하시오: H2S, CH3OH, CBr4, Ne 풀이) 1) H2S: 쌍극자-쌍극자 힘 2) CH3OH : 수소결합 3) CBr4 : London 힘 4) Ne: London 힘 ∴ 2>1>3>4 12.3 분자간 힘과 액체, 고체의 특징 1) 쌓임(packing) 효과 압축성 기체: 압축성이 큼 고체와 액체: 비압축성 확산: 기체에서는 분자가 충돌 사이에 비교적 긴 거리를 이동하기 때문에 급속하게 확산한다. 2) 표면장력(surface tension): 액체표면의 면적 증가에 저항하는 힘 (최소의 표면적) → 분자간의 힘이 강할수록 크다. (예: 물은 수소결합 때문에 분자간의 힘이 강하므로 표면장력 크다.) 강한 분자간 힘 높은 표면 장력 응집력(cohesion): 같은 분자 사이에 작용하는 분자간 인력 (예: 물 - 물 사이의 인력) 접착력(Adhesion) : 서로 다른 분자들 사이의 인력 (예: 물- 모세관 벽) 접착력 응집력 접착력 > 응집력 응집력 > 접착력 3) 표면의 젖음 액체가 표면을 가로질러 퍼져서, 얇은 막을 형성 하는 것 액체와 표면의 인력의 유 사성이 크면 젖음 효과가 커진다. 액체 내부의 인력만큼 액 체와 표면의 분자간 힘이 강하면 일어난다. 계면활성제(surfactant) - 물의 표면 장력을 현저히 낮추는 화학 물질 - 극성과 비극성 특성을 가진 물질 O O Na+ 비극성 부분이 기름과 상호작용한다. 극성 부분이 물과 상호작용한다. 물 속에서 기름의 용해도 증가 4) 점도(viscosity) - 흐름에 대해 유체가 저항하는 척도. - 온도 증가에 따라 감소, - 분자간 힘 클수록 증가 5) 증발, 승화와 분자간 인력 액체 기체 고체 응고 융해 액체 증발(기화) 승화 기체 응축(액화) 고체 기체 승화 이산화탄소(드라이 아이스) 흡열 반응. - 증발(기화) - 상 변화를 일으키는 에너지 - 흡열 반응 기체 액체 - 응축(액화) - 이슬(응축된 물의 증기) - 발열 반응 온도에 따른 증발 속도 액체 기체 분자간 인력이 약할 수록 주어진 온도에서 증발속도는 더 빨라진다. 12.4 상태 변화와 동적 평형 동적 평형(dynamic equilibrium) 응축(액화) 속도 = 증발(기화) 속도 12.5 액체와 고체의 증기압 액체가 증발할 때, 증기 상태로 되는 분자들은 증기압 (vapor pressure) 이라는 압력을 나타낸다. 증발과 응축의 속도가 같게 되면 증기 속의 분자들의 수가 일 정하게 유지되고 증기는 일정한 압력을 나타내는데, 이 최종 압력을 액체의 평형 증기압 이라고 한다. 12.6 액체의 끓는점 액체의 증기압이 대기압과 같아지 는 온도를 끓는점(boiling point)이 라고 한다. 1기압에서 액체의 끓는점을 액체의 정상 끓는점(normal boiling point) 이라고 한다. 그림 12.25 끓는점에서 분자간 인력의 영향 그림 12.26 12.7 에너지와 상태변화 가열 곡선 냉각 곡선 12.8 증발열의 결정 12.9 Le Châtelier의 원리와 상태변화 12.10 상 도표(Phase diagram) 물의 상평형 그림 CO2의 상평형 그림