11.2: 분자간 힘과 분자내 힘

분자간 힘(IMF)은 분자 사이의 전하-전하 상호작용으로 인해 발생하는 정전기적 인력입니다. 분자간 힘의 세기는 분자 사이의 분리 거리에 영향을 받습니다. 힘은 분자가 서로 가까이 있는 고체와 액체의 상호 작용에 큰 영향을 미칩니다. 가스에서 IMF는 고압 조건에서만 중요합니다(가스 분자의 근접성으로 인해). 분자간 힘은 녹는점, 끓는점, 밀도, 융합 및 기화 엔탈피와 같은 물질의 물리적 특성을 결정합니다. 액체가 가열되면 분자에 의해 획득된 열 에너지가 액체를 제자리에 고정시키는 IMF를 극복하고 액체가 끓습니다(기체 상태로 전환). 끓는점과 녹는점은 분자간 힘의 종류와 강도에 따라 달라집니다. 예를 들어, 물(H_2O, b.p. 100 °C)과 같은 고비점 액체는 헥산(C_6H_14, b.p. 68.73 °C)과 같은 저비점 액체에 비해 더 강한 분자간 힘을 나타냅니다.

분자간 힘은 분자 사이에 존재하지만 분자 내 힘은 분자 내에 존재하며 주어진 분자의 원자를 함께 유지합니다. 분자 내 힘은 분자를 그대로 유지합니다. 물질 상태의 변화는 분자 내 상호 작용에 영향을 미치지 않습니다. 예를 들어, 얼음이 녹으면 고체 H_2O 분자 사이의 분자간 힘이 부분적으로 파괴되어 이를 재배열하고 얼음을 액체 물로 변환하지만 개별 H_2O 분자를 분해하지는 않습니다.

분자 내 힘은 본질적으로 이온성, 공유성 또는 금속성일 수 있습니다.

원자는 전자(비금속)를 얻거나(금속) 잃어 특히 안정적인 전자 구성을 갖는 이온(음이온 및 양이온)을 형성합니다. 이온으로 구성된 화합물을 이온성 화합물(또는 염)이라고 하며, 그 구성 이온은 이온 결합, 즉 반대 전하를 띤 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의해 서로 결합됩니다. 예를 들어, 염화마그네슘(MgCl_2)은 강한 이온 결합으로 결합된 마그네슘 양이온과 염화물 음이온으로 구성된 이온 화합물입니다.

원자 사이에 전자가 공유될 때 공유 결합(무극성 또는 극성)이 형성되어 분자가 형성됩니다. 비극성 공유 결합은 수소(H_2)와 같이 원자가 전자를 동등하게 공유할 때 발생합니다. 전자의 불평등한 공유로 인해 극성 공유 결합이 형성됩니다. 한 원자는 다른 원자보다 전자에 더 강한 인력을 가합니다. 예로는 염화수소, HCl이 있습니다.

구리, 알루미늄, 철의 결정과 같은 금속 고체는 금속 원자로 구성됩니다. 이러한 금속 고체 내의 원자는 유용하고 다양한 벌크 특성을 발생시키는 금속 결합으로 알려진 독특한 힘에 의해 서로 결합됩니다.

분자간 힘은 분자내 힘에 비해 훨씬 약합니다. 예를 들어, 액체 HCl 1몰에서 IMF를 극복하고 이를 기체 HCl로 변환하려면 약 17킬로줄만 필요합니다. 그러나 1몰의 HCl에서 수소와 염소 원자 사이의 공유 결합을 끊으려면 약 25배 더 많은 에너지, 즉 430킬로줄이 필요합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids.

화학 물질은 원자나 이온들이 정전기적으로 상호작용하여 생성됩니다. 예를 들어 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자가 공유 결합으로 결합하여 물 분자를 생성합니다. 원자를 분자 내에 서로 고정시키는 그러한 결합력을 분자간 인력이라고 합니다.

분자간 인력은 안정성과 화학 결합의 유형과 같은 화학적 성질을 묘사합니다. 세 가지 기본 유형은 이온 결합 공유 결합, 금속 결합입니다. 이온 결합은 금속에서 비금속 원자로 원자가전자의 전달에 의해 형성되며 이로부터 반대로 전하된 이온들 사이에 정전기적인 끌림이 생깁니다.

공유 결합은 비금속 원자가 그들의 원자가전자를 공유하여 형성됩니다. 마지막으로 금속 결합은 양의 금속 이온 배열과 균등하게 퍼진 원자가 전자의 공유 풀 사이의 상호작용에서 비롯됩니다. 그러나 정전기적 상호작용은 분자 내뿐만 아니라 분자 간에도 존재합니다.

예를 들어 물에서는 고체든 액체든 기체든 간에 분자가 물질의 상태를 나타내는 정전기적이며 비결합적인 상호작용을 통해 작용합니다. 이러한 상호작용을 분자간 힘이라고 하며 녹는점 및 끓는점과 같은 다양한 물리적 특성에 영향을 미칩니다. 분자간 힘은 여러 유형으로 분류될 수 있습니다.

강한 이온-쌍극자 힘은 이온과 극성 분자 사이에 발생하고 쌍극자-쌍극자 힘은 극성 분자간 사이에 형성되는데 수소 결합은 쌍극자-쌍극자 힘의 한 유형에 속합니다. 마지막으로 가장 약한 분산력은 모든 분자들, 극성, 비극성에 존재하며 일시적인 쌍극자의 결과입니다. 분자간 힘은 약합니다.

왜냐하면 짧은 거리에 걸쳐 큰 정전기적 상호작용으로 강한 분자내 힘에 비해볼 때 작은 전하 또는 부분 전하가 큰 거리에 걸쳐 상호작용하기 때문입니다. 예를 들어 액체 상태의 물에서 분자는 평균 300 피코미터의 거리로 떨어져 있는 데 이는 상대적으로 약한 분자간 힘의 특징입니다. 그 결과 물에 섭씨 100 도의 열을 가하면 이러한 분자간 힘을 극복하고 액체상 물 분자를 증기 상태로 전환합니다.

이와는 대조적으로 물 속의 O-H 결합의 길이는 96 피코미터로 분자 내 결합이 더 강한 것이 특징입니다. 물을 끓는점보다 훨씬 더 높은 섭시 1000 도까지 물을 가열하면 이 분자 결합이 깨집니다.