분자 간 힘:

12-1

제12장

분자 간 힘:

액체, 고체 및 상 변화

12.1 물리적 상태와 상 변화의 개관 12.2 상 변화의 양적 측면

12.3 분자 간 힘의 형태 12.4 액체 상태의 성질 12.5 물의 독특한 성질

12.6 고체 상태: 구조, 성질 및 결합

 각 상의 특성은 입자의 위치 에너지와 운동 에너지 사이의 균형에 따라 결정

 퍼텐셜 에너지 : 입자를 끌어당기는 경향, 인력(쿨롱의 힘)

 운동 에너지 : 입자를 분산시키는 경향, 분자의 평균속력과 관련되며 절대 온도에 비례

12.1 물리적 상태와 상 변화의 개관

 상 (Phase) : 물리적으로 뚜렷이 구분되는 균일한 부분

 정전기적 힘

-

- 분자간 힘과 비결합력

분자들 사이에 존재하는 힘.

물질의 물리적 성질에

12-3

인력 대 운동 에너지 특성

기체

기체는 모양과 부피가 정해져 있지 않는다.

액체

액체는 유동성이 있고 모양이 변한다. 하지만, 부피는

일정하다.

고체

고체는 모양과 부피가 일정하다.

세 가지 상태의 분자 운동론적 관점

12-5

상 변화

고체 액체 기체

녹음(용융)

얼음(응고)

증발

응축 흡열

발열

증착 승화

그림 12.1 몇 가지 흔한 물질들의 증발열 및 용융열

12-7

그림 12.2 상 변화와 엔탈피 변화.

 동일한 상 : 열의 변화는 온도의 변화를 동반하며, 이는 평균 E

의 변화, 즉 분자의 가장 잦은 속력의 변화와 관련

q = (몰수) x (몰열용량) x DT

q = (몰수)( 상변화의 엔탈피 변화)

 상변화 과정 : 열 변화는 일정한 온도에서 진행되며, 이는 분자간의 평균 거리의 변화에 따른 Ep변화와 관련

12.2 상 변화의 양적 측면

12-9

그림 12.3 기체 물을 얼음으로 변화시킬 때의 냉각 곡선.

예제 12.1 분자 관점으로 나타낸 상 변화 과정의 열 계산

문제: 아래의 그림은 물의 상 변화를 분자적 관점에서 표현하는 것이다.

위에서 논의한 자료로부터 24.3 g의 H₂O가 이러한 변화를 진행할 때 방출하거나 흡수되는 열(kJ)을 계산하여라.

풀이:

총 3단계의 과정:

1)액체의 끓는점까지 가열 2)액체에서 기체로의 상 변화 3)최종 온도까지 기체의 가열

12-11

mol H₂O = 24.3 g H₂O x 1 mol H₂O

18.02 g H₂O = 1.35 mol H₂O 단계 1:

q = n x C_물(l) x DT

= (1.35 mol)(75.4 J/mol∙°C)(100. - 85.0°C) = 1527 J = 1.53 kJ

예제 12.1 분자 관점으로 나타낸 상 변화 과정의 열 계산

단계 2:

q = n(DH°_증발) = (1.35 mol)(40.7 kJ/mol) = 54.9 kJ

q_전체= 1.53 + 54.9 + 0.760 kJ = 57.2 kJ 단계 3:

q = n x C_물(g) x DT

= (1.35 mol)(33.1 J/mol∙°C)(117 – 100.°C) = 759.6 J = 0.760 kJ

닫힌 플라스크에서, 계는 액체가 이탈하고 흡수되는 속도가 같은 동적 평형

상태에 도달한다.

증기압은 액체에서 증기에 의해 발현되는 압력이다.

압력은 평형 상태에 도달할 때 까지 증가하며, 평형

증기압 : 상변화의 평형 성질

12-13

증기압에 영향을 미치는 요인

1. 온도 :온도가 증가할 수록, 증기 상태가 되기 충분한

에너지를 가지는 분자의 비율이 증가하여 증기압이 증가 2. 분자간 힘 : 낮은 분자간 인력은 분자가 쉽게 증기 상태가

되기 쉽기 때문에, 더 높은 증기압 나타냄

 클라시우스-클라페이론(Clausius-Clapeyron) 식

T C R H

P ^D

_











1

= -

ln

온도와 증기압과 관련된 방정식.



















D

2

2

= - 1 1

ln R H T T

P

P

다른 두 온도에서의 증기압이 알려졌을 때, 다음 방정식을

사용한다.

12-15

그림 12.7 증기압과 온도 사이의 선형 관계.

T C R H

P ^D

_











1

= -

ln

R H

D

slope = -

예제 12.2 클라시우스- 클라페이론 식 이용하기

풀이:

문제: 34.9℃에서 에탄올의 증기압은 115 torr이다. 만일 에탄올의 ΔH_증발 이 40.5 kJ/mol이라면 증기압이 760 torr 일 때의 온도(℃)를 계산하라.

T₁ = 34.9°C + 273.15 = 308.0 K

ln 760 torr

115 torr = - 40.5 x10³ J/mol 8.314 J/mol∙K

1 T₂

1

308.0 K

−

T₂ = 350. K – 273.15 = 77°C P₂

P₁

ln = - DH_증발 R

1 T₂

1 T₁

−

12-17

 증기압과 끓는점

• 액체의 끓는점은 증기압이 외부 압력과 같아지는 온도

• 액체에 미치는 외부 대기압이 증가하면, 끓는점도 증가

• 임계점 : 액체와 기체의 밀도가 같아 두상의 경계선이 사라짐 분자의 Ek가 커서 아무리 압력을 가해도 응축 불가

• 물질의 일반 끓는점은 표준 대기압, 760 torr에서의 끓는점

12.3 분자간 힘의 형태

 분자 간 최소 거리 :

 반데르발스 반지름은 비결합 두 원자의 핵 사이의 거리의 절반이다.

반데르발스 거리는 비결합 인접 분자 사이의 거리

12-19

12-21

그림 12.10 극성 분자들과 쌍극자-쌍극자 힘.

극성 분자의 양극은 다른 분자의 음극을 끌어당긴다.

그림 12.11 쌍극자 모멘트와 끊는점.

12-23

N H O

 수소 결합 : 고립 전자쌍을 가진 작고 전기음성도가 큰 F, O, N와

직접 결합한 H원자와 다른 분자에 존재하는 F, O, N의 비공유

전자쌍 사이에 작용하는 극대화된 극성 분자간 인력

N

H H

H

N

H H

H

N

H H

H

N

H

H

H

N

H

H H

O

H H

O

H H

O

H H

O

H H

O

H H

F

H

H

H

F F H

H

F F

 분자 1개당 최대 수소 결합수

 각 분자가 N개씩 존재 할 때의 평균 수소 결합수??

12-25

예제 12.3 화합물의 분자들 사이에 수소 결합 그리기

풀이: (a) C₂H₆ 은 H 결합 자리가 없다.

문제: 다음 물질들 중 수소 결합을 나타내는 것은 어느 것인가? 수소 결합이 있는 것들에 대해서는 수소 결합을 사이에 두고 분자 2개를 그려라.

(a) C₂H₆ (b) CH₃OH (c)

(b) CH₃OH 은 O와 H의 공유 결합이 존재, 이 결합의 H는 수소결합을 이룬다:

(c) 는 두가지 H 결합 위치를 갖는다:

 편극도와 유발 쌍극자 힘 1. 전자 구름의 일그러짐

- 비극성 분자 : 일시적인 쌍극자가 유도 - 극성 분자 : 기존의 쌍극자 강화

2. 입자의 편극도 : 전자 구름이 일그러지기 쉬운 정도

- 더 작은 입자는 전자를 더 강하게 당기기 때문에 더 작은 편극도 나타냄 - 같은 족에서는 아래로 갈수록 편극도가 증가

(원자의 크기가 커지고 큰 전자구름이 핵에서 더 멀리 떨어져 있으므로) - 같은 주기에서는 오른쪽으로 갈수록 편극도는 감소한다.

( Z_eff 가 증가하여 원자의 크기가 작아지고 전자들이 더 세게 붙들려 있다) - 양이온은 해당 원자보다 작기 때문에 원자보다 편극도가 더 작다.

12-27

 분산력 (London)

- 분산력(런던힘)은 일시적인 쌍극자가 다른 분자의 쌍극자를 유도하며 서로 끌어 당길 때 발생

- 분산력은 모든 입자 사이에 존재하며, 분자 간의 인력을 증가시킴

- 분산력은 더 편극 된 입자에서 강하다.

일반적으로 큰 입자는 작은 입자 보다 큰 분산력을 가진다.

그림 12.14 몰 질량과 끊는점의 경향.

분산력은 크고 더 편극된 입자에서 더 강하다.

편극률은 비슷한 입자 사이에서 분자량과 밀접하게 관계되어 있다.

12-29

그림 12.15 분자 모양, 분자간 접촉과 끊는 점.

그림 12.16 시료에서 분자간의 힘 결정하기.

12-31

예제 12.4 분자간 힘 유형 예측하기

문제: 다음 각 물질 쌍에 대해 각 물질에 존재하는 핵심 분자간 힘을 알아내고 끓는점이 더 높은 물질을 골라라.

(a) MgCl₂ 또는 PCl₃ (b) CH₃NH₂ 또는 CH₃F (c) CH₃OH 또는 CH₃CH₂OH

(d) 헥세인(CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃)또는2,2-dimethylbutane

풀이:

(a) Mg²⁺ 와 Cl^- 은 이온 결합으로 붙들려 있고, PCl₃ 는 공유 결합 화합물로 쌍극자－쌍극자 힘이 존재한다. 이온 결합이 쌍극자 상호작용보다 강하므로 MgCl₂가 높은 끓는점을 가질 것이다.

MgCl₂ 가 더 높은 끓는점을 가짐.

예제 12.4 분자간 힘 유형 예측하기

(b) CH₃NH₂과 CH₃F는 둘 다 공유결합 화합물로 극성 결합을 지니고 있다.

CH₃NH₂ 는 수소 결합을 할 수 있지만 CH₃F는 그렇지 않다. 그래서 CH₃NH₂ 의 상호작용이 크고, 더 높은 끓는점을 가질 것이다.

CH₃NH₂ 더높은 끓는점을 가짐.

12-33

(c) CH₃OH 와 CH₃CH₂OH 둘 다 수소결합을 할 수 있지만 CH₃CH₂OH가 더 많은 CH가 있어 더 큰 분산력을 가질 것이다. 그러므로, CH₃CH₂OH 가 더 높은 끓는점을 가질 것이다.

CH₃CH₂OH 가 더 높은 끓는점을 가짐.

예제 12.4 분자간 힘 유형 예측하기

(d) 헥세인과 2,2-다이메틸뷰테인은 둘 다 비극성이고, 분자들은 분산력으로 만 붙들려 있다. 헥세인의 접촉 면적이 크므로 더 큰 분산력을 가지므로 더 높은 끓는점을 가질 것이다.

헥세인이 더 높은 끓는점을 가짐.

점검:

실제 끓는점과 예측값 비교:

(a) MgCl₂ (1412°C) , PCl₃ (76°C)

(b) CH₃NH₂ (-6.3°C) , CH₃F (-78.4°C)

(c) CH₃OH (64,7°C) , CH₃CH₂OH (78.5°C)

(d) 헥세인 (69°C) , 2,2-다이메틸뷰테인 (49.7°C)

분산력은 항상 존재한다. 하지만 (a)와 (b) 경우에는 다른 힘에 비해 작은 영향력을 가진다.

예제 12.4 분자간 힘 유형 예측하기

12-35

수소결합이 삼차원 모두에서 발생한다

수소결합이 표면과 아래

방향으로 힘을 받는다. 인력의 알짜 벡터는 아래쪽이다.

표면 장력은 액체의 표면을 증가시키기 위해 필요한 에너지

계면활성제 : 표면에 몰려서 수소 결합을 파괴하여 물의 표면 장력 감소

12.4 액체 상태의 성질

12-37

모세관 현상 : 액체 내 분자간 힘(응집력)과 액체와 모세관 벽 사이 분자간 힘(부착력) 사이의 경쟁 관계로 발생

A. 물은 오목한 초승달 모양을 갖는다.

B. 수은은 볼록한 초승달 모양을 갖는다.

점성도 : 유체의 흐름에 대한 저항, 분자간 인력에 기인 - 온도의 영향 : 가열하면 점성도 감소

- 분자 모양의 영향 : 긴 분자(표면적 큰 분자) 일수록 점성도 증가

12-39

그림 12.19 물 분자의 수소 결합 능력.

각 H₂O 분자는 총 4개의 H 결합을 할 수 있고, 사면체 배열을 갖는다.

12.5 물의 독특한 성질

그림 12.20 얼음의 육각 구조.

얼음은 수소 결합 때문에 열린 구조를 갖는다. 즉, 얼음은 물보다 더

12-41

고체의 구조적 특성

•결정성 고체(crystalline solid) : 입자들이 규칙적으로 배열

•무정형 고체(amorphous solid) : 규칙적인 배열이 깨진 형태

12.6 고체 상태 : 구조, 성질 및 결합

 결정 격자 : 주위 환경이 똑같은 점들로 구성된 결정 전체에 걸친 규칙적 모양

 단위 세포 : 3차원으로 반복시켰을 때 결정 전체를 이루게 되는

결정의 최소 단위

그림 12.21 결정성 고체들의 아름다움

수연(wulfenite) 방해석(오른쪽)에

서 자란 중정석

수정(자수정) 녹주석(에메랄드)

12-43

그림 12.23A 단순 입방.

그림 12.23B 체심 입방.

12-45

그림 12.23C 면심 입방.

그림 12.24 공을 쌓아서 세 가지 입방 및 육방 단위 세포를 얻기.

12-47

그림 12.24 공을 쌓아서 세 가지 입방 및 육방 단위 세포를 얻기.

그림 12.26 세 가지 입방 단위 세포에서 모서리의 길이와 원자(이온)반지름.

12-49

예제12.5 결정 구조로부터 원자 반지름 계산

문제: 구리의 결정 구조는 입방 조밀 쌓음이고, 단위세포 모서리의 길이는 361.5 pm이다. 구리의 원자 반지름은 얼마인가?

풀이: 피타고라스 정리를 사용하여 단위세포 면의

대각선 길이인 C를 구한다:

C = A

√

단위세포는 정육면체이므로, A = B.

C = 2A

√

√

4 = 127.8 pm

 결정형 고체의 종류

원자성 고체는 분산력으로만 서로 당기는 개개의 원자들의 구성.

이온성 고체는 양이온과 음이온이 규칙적으로 배열된 고체이다.

분자성 고체는 다양항 분자간 힘으로 서로 당기는 개개의 분자들의 구성.

금속성 고체는 결정형 구조를 가진다.

공유 결합 네트워크 고체는 삼차원 네트워크에 서로 공유

12-51

그림 12.27 그림 12.28

응고된 아르곤의 입방 조밀 쌓임(면심 입방 단위 세포).

응고된 메테인의 입방 조밀 쌓임(면심 입방 단위 세포)

12-53

그림 12.29 염화 소듐 구조.

그림 12.30 금속의 결정 구조.

12-55

그림 12.32 리튬 금속의 분자 궤도함수 띠.

12-57

그림 12.33 전도체, 반도체 및 절연체의 전기 전도도.

 전도체(금속) : 원자가 띠와 전도 띠의 에너지 간격 없음, 온도 상승시 전도성 감소

 반도체(준금속) : 원자가 띠와 전도 띠 사이의 작은 에너지 간격, 온도 상승시 전도성 증가

 절연체(비금속) : 원자가 띠와 전도띠 사이의 큰 에너지 간격, 가열해도 전류는 흐르지 않음