분자간 인력과 액체, 고체의 특성

분자간인력과액체, 고체의특성분자간인력과액체, 고체의특성 12.1 기체, 액체, 고체와 분자간 거리 물질의상태부피/모양밀도압축도분자의운동기체용기의부피와모양이라고가정낮음매우압축가능매우자유로운운동액체일정한부피그러나모양은용기의모양높음아주약간압축가능서로자유롭게미끄러짐고체일정한부피와모양높음사실상압축불가능고정된위치근처에서진동 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: 특별히강한쌍극자-쌍극자힘일반적으로분자간힘은분자내인력보다적다. ClHClH 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 원자의수 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-H 와 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 ) 물에서수소결합 .물이얼때부피팽창의원인 .수소결합은액체에서강한인력으로작용한다. .얼음속에서물분자사이의수소결합(점선)은사면체배열을형성한다. 물에서수소결합 .물이얼때부피팽창의원인 .수소결합은액체에서강한인력으로작용한다. .얼음속에서물분자사이의수소결합(점선)은사면체배열을형성한다. 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 분자간인력표12.3 분자간인력표12.3 예제12.1 다음은(a) 에탄올(에틸알코올)과(b)프로필렌글리콜(무독성부동액)의구조식이다. 어떤화합물이더높은끓는점을가질것으로예상되는가? (풀이) (a) (b) 두화합물은모두OH기를가지고있으므로수소결합을할것이며, 모든분자는Lodon 분산력을가지므로이두가지힘을통하여끓는점을예측할수있다. 1) 수소결합: (b) 가두개의OH기를가지고있으므로더강한수소결합2) Lodon 분산력: 역시(b)가더많은원자를가지고있으므로더강한Lodon 분산력을나타낼것임. 결국(b) 프로필렌글리콜이더높은끓는점을나타낼것으로예측 OHCCHHHHHOHCCHHCHHHHOH예제12.1 다음은(a) 에탄올(에틸알코올)과(b)프로필렌글리콜(무독성부동액)의구조식이다. 어떤화합물이더높은끓는점을가질것으로예상되는가? (풀이) (a) (b) 두화합물은모두OH기를가지고있으므로수소결합을할것이며, 모든분자는Lodon 분산력을가지므로이두가지힘을통하여끓는점을예측할수있다. 1) 수소결합: (b) 가두개의OH기를가지고있으므로더강한수소결합2) Lodon 분산력: 역시(b)가더많은원자를가지고있으므로더강한Lodon 분산력을나타낼것임. 결국(b) 프로필렌글리콜이더높은끓는점을나타낼것으로예측 OHCCHHHHHOHCCHHCHHHHOH 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 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 분자간힘과액체, 고체의특징1) 쌓임(packing) 효과12.3 분자간힘과액체, 고체의특징1) 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): 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 ) 접착력응집력 접착력 > 응집력 응집력 > 접착력 3) 표면의젖음 .액체가표면을가로질러퍼져서, 얇은막을형성하는것 .액체와표면의인력의유사성이크면젖음효과가커진다. .액체내부의인력만큼액체와표면의분자간힘이강하면일어난다. 3) 표면의젖음 .액체가표면을가로질러퍼져서, 얇은막을형성하는것 .액체와표면의인력의유사성이크면젖음효과가커진다. .액체내부의인력만큼액체와표면의분자간힘이강하면일어난다. 계면활성제 (surfactant) -물의 표면 장력을 현저히 낮추는 화학 물질 -극성과 비극성 특성을 가진 물질 OO.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, 승화와분자간인력5) 증발, 승화와분자간인력 고체 액체 . 기체 -증발(기화) 융해 -상 변화를 일으키는 에너지 응고 승화 -흡열 반응 액체 증발(기화) 기체 응축(액화) 고체 . 기체 승화 이산화탄소(드라이 아이스 ) 흡열 반응 . 기체 . 액체 -응축(액화 ) -이슬(응축된 물의 증기 ) -발열 반응 온도에따른증발속도온도에따른증발속도 액체 . 기체 분자간 인력이 약할 수록 주어진 온도에서 증발속도는 더 빨라진다 . 12.4 상태변화와동적평형12.4 상태변화와동적평형 동적 평형 (dynamic equilibrium) 응축(액화) 속도 = 증발(기화) 속도 12.5 액체와고체의증기압 .액체가증발할때, 증기상태로되는분자들은증기압(vapor pressure) 이라는압력을나타낸다. .증발과응축의속도가같게되면증기속의분자들의수가일정하게유지되고증기는일정한압력을나타내는데, 이최종압력을액체의평형증기압이라고한다. 12.5 액체와고체의증기압 .액체가증발할때, 증기상태로되는분자들은증기압(vapor pressure) 이라는압력을나타낸다. .증발과응축의속도가같게되면증기속의분자들의수가일정하게유지되고증기는일정한압력을나타내는데, 이최종압력을액체의평형증기압이라고한다. 12.6 액체의끓는점 .액체의증기압이대기압과같아지는온도를끓는점(boiling point) 이라고한다. .1기압에서액체의끓는점을액체의정상끓는점(normal boiling point) 이라고한다. 그림12.25 12.6 액체의끓는점 .액체의증기압이대기압과같아지는온도를끓는점(boiling point) 이라고한다. .1기압에서액체의끓는점을액체의정상끓는점(normal boiling point) 이라고한다. 그림12.25 끓는점에서분자간인력의영향그림12.26 끓는점에서분자간인력의영향그림12.26 12.7 에너지와상태변화가열곡선냉각곡선12.8 증발열의결정12.9 Le Chatelier 의원리와상태변화12.7 에너지와상태변화가열곡선냉각곡선12.8 증발열의결정12.9 Le Chatelier 의원리와상태변화 12.10 상도표(Phase diagram) 물의상평형그림CO2의상평형그림12.10 상도표(Phase diagram) 물의상평형그림CO2의상평형그림