Intermolecular Forces ( 분자간 힘 )

Intermolecular Forces ( 분자간 힘 )

&

Liquids and Solids ( 액체 및 고체 )

Chapter 11

목차

1. 액체와 고체의 분자 운동론 2. 분자간 힘

3. 액체의 특성 4. 결정 구조

5. 결정에 의한 X- 선 회절 6. 결정의 형태

7. 비결정질 고체

8. 상변화

2 Phases (상) Solid phase (고체상) – ice (얼음)

Liquid phase (액체상) – water (물)

(밀도) (압축성) (분자의 운동)

액체와 고체의 분자 운동론

상(phase)은 그 계의 다른 부분과 접해 있지만 분명한 경계로 구분되어 있는 균일한 부분

(기체, 액체 및 고체의 특성)

}

• Intermolecular forces (분자간 힘) : 분자들 사이에 작용하는 인력

• Intramolecular forces (분자내 힘)

: 분자에서 원자들을 서로 붙들고 있는 힘

Intermolecular vs Intramolecular (분자간 & 분자내 힘의 비교)

• 41 kJ to vaporize 1 mole of water (inter)

• 930 kJ to break all O-H bonds in 1 mole of water (intra) 분자간 힘의 척도

boiling point melting point

∆h_vap

∆ 일반적으로

분자간 힘이 분자내 힘보다

작다.

Intermolecular Forces ( 분자간 힘 )

Dipole-Dipole Forces (쌍극자-쌍극자 힘)

polar molecules (극성 분자)들 사이의 인력

고체 내 극성 분자들의 배열 정전기적, Coulomb 법칙

Ion-Dipole Forces (이온-쌍극자 힘)

Ion (이온)과 polar molecule (극성 분자) 사이에 작용하는 인력

Ion-Dipole Interaction

Intermolecular Forces ( 분자간 힘 )

정전기적, Coulomb 법칙

Dispersion Forces (분산힘)

ion-induced dipole (_{이온-유도 쌍극자}) interaction

dipole-induced dipole (_{쌍극자-유도 쌍극자}) interaction

Intermolecular Forces ( 분자간 힘 )

원자나 분자에서 순간적으로 유도된 유도 쌍극자로 인하여 작용하는 인력, 모든 형태의 화학종에 존재함.

유도 쌍극자 -유도 쌍극자

상호 작용

• Polarizability (편극도): 원자나 분자의 전자 분포가 고르지 않게 되기 쉬운 정도

• 편극도는 전자수가 많을 수록, 전자구름이 넓은 영역에

확산되어 있을 수록 증가한다.

분산힘은 분자량이 커질 수록 증가한다.

분산힘은 주변에 있는 이온의 전하량, 쌍극자의 세기에 따라 달라지고 원자나 분자의 편극도에 의해 결정된다.

What type(s) of intermolecular forces exist between each of the following molecules?

HBr

→ dipole-dipole forces & dispersion forces

CH

SO

SO₂ is a polar molecule(극성 분자).

→ dipole-dipole forces & dispersion forces 연습 문제 11.1

(쌍극자-쌍극자) (분산력)

(분산력)

S

O O

Hydrogen Bond ( 수소 결합 )

N-H, O-H, or F-H 등과 같은 극성 결합에서 수소 원자와 전기음성적인 O, N, F 원자사이에 작용하는 특별한 형태의 쌍극자-쌍극자 상호 작용.

A H…B or A H…A

A & B = N, O, or F

액체의 특성

Surface tension (표면 장력) : 액체의 표면을 잡아 늘리거나 증가시키는 데 필요한 에너지 (단위 면적당)

Strong

intermolecular forces

High surface tension

Properties of Liquids

Cohesion (응집력): 같은 분자들 사이의 인력

Adhesion (부착력): 서로 다른 분자들 사이의 인력

Adhesion

Cohesion 모세관현상

Properties of Liquids

Viscosity (점성도): 흐름에 대한 유체의 저항 정도

Strong

intermolecular forces

High viscosity 느리게 흐름

Maximum Density 4⁰C

얼음의 밀도< 물의 밀도

물의 밀도

Water is a Unique Substance 수소결합-좋은 용매, 높은 비열, 덜 조밀한 고체상태

A crystalline solid (결정질 고체): 원자, 분자, 이온이 먼 공간에 걸쳐 정해진 측정 자리에 규칙적으로 배열되어 있는 고체

An amorphous solid (비결정질 고체): 먼 공간에 걸친 규칙적 배열이 없는 고체

A unit cell (단위 세포): 결정질 고체에서 구조적으로 반복되는 기본 단위

lattice point

At lattice points:

• Atoms

• Molecules

• Ions (격자점)

7 가지 단위 세포

단순 입방정계 정방정계 사방정계 마름모정계

단사정계 삼사정계 육방정계

단순 입방체 (simple cubic) 구조에서 구의 쌓임

X구의 배위수 (coordination number) = 6

입방체의 3 가지 형태

체심 입방체

단순 입방체 면심 입방체

Body-centered Face-centered

체심 입방체 (body-centered cubic) 에서 구의 배열

Shared by 8

Shared by 2 unit cells

1 atom/unit cell 2 atoms/unit cell 4 atoms/unit cell

체심 입방체

단순 입방체 면심 입방체

Closest packing ( 최조밀 쌓임 )

ABA 배열 육방 최조밀 쌓임

(hexagonal close-packed)

ABC 배열 입방 최조밀 쌓임

hcp ccp

배위수 = 12

면심입방체

Mg, Ti, Zn

3 가지 입방체에서 모서리 길이와 원자 반지름과의 관계

예제 11.3 금 (Au)은 입방 최조밀 쌓임 구조(면심 입방체) 결정을 이루며, 19.3 g/cm³의 밀도를 갖는다. 금의 원자 반지름은 (pm)? → 결정 단위 세포의 부피와 질량을 이용한다. 단위 세포 내에 있는 원자의 총 개수 = (8x1/8) + (6x1/2)= 4

세포 단위

원자 몰 몰

세포 단위

질량 원자 세포

단위

g/

10 31

Au 1

Au 197.0g

10 6.022

1 m 4

,

21 -

23

×

=

× ×

×

= .

1

1

144pm cm

10 cm 1.44

10 4.08

r a

8

cm cm

10 6.79

V a

cm 10

g/cm 6.79 19.3

g 10

1.31 d

V m

8 8

8 3

23 3 -

3 23

- 3

-21

=

×

× =

=

=

=

×

=

×

=

=

×

× =

=

=

− −

−

r

10 08

.

3 4

When silver crystallizes, it forms face-centered cubic cells. The unit cell edge length is 409 pm. Calculate the density of silver.

d = m

V V = a³ = (409 pm)³ = 6.83 x 10^-23 cm³ 4 atoms/unit cell in a face-centered cubic cell m = 4 Ag atoms 107.9 g

mole Ag

x 1 mole Ag

6.022 x 10²³ atoms

x = 7.17 x 10^-22 g

d = m V

7.17 x 10^-22 g 6.83 x 10^-23 cm³

= = 10.5 g/cm³

연습 문제 11.3

Extra distance = BC + CD = 2d sinθ = nλ (Bragg Equation) X-선 회절

(X-ray diffraction)

원자층에 의한 x-선 반사

X-ray tube

crystal

Photographic plate

X rays of wavelength 0.154 nm are diffracted from a crystal at an angle of 14.17⁰. Assuming that n = 1, what is the

distance (in pm) between layers in the crystal?

nλ = 2d sin θ n = 1 θ = 14.17⁰ λ = 0.154 nm = 154 pm

d = nλ

2sinθ = 1 x 154 pm

2 x sin14.17 = 77.0 pm 연습 문제 11.4

예제 11.4 풀어 볼것

Ionic Crystals (이온 결정)

• Lattice points occupied by cations and anions

• Held together by electrostatic attraction (_{격자 에너지})

• Hard, brittle, high melting point

• Poor conductor of heat and electricity – _{물에 녹으면 전도성} ↑

CsCl ZnS CaF₂

Types of Crystals (결정의 형태)

Types of Crystals

Covalent Crystals (공유 결정)

• Lattice points occupied by atoms

• Held together by covalent bonds (_{공유 결합})

• Hard, high melting point

• Poor conductor of heat and electricity

carbon atoms

Types of Crystals

Molecular Crystals (분자결정)

• Lattice points occupied by molecules

• Held together by intermolecular forces (분자간 힘)

• Soft, low melting point

• Poor conductor of heat and electricity 예) SO₂, I₂, P₄, S₈

Types of Crystals

Metallic Crystals (금속 결정)

• Lattice points occupied by metal atoms

• Held together by metallic bonds

• Soft to hard, low to high melting point

• Good conductors of heat and electricity

Cross Section of a Metallic Crystal 핵 &

내부 전자

mobile “sea”

of e^-

Amorphous solid (비결정질 고체)

Glass (유리): 무기 물질을 결정화시키지 않고 굳은 상태가 되도록 냉각시켜서 광학적으로 투명하게 만든 용융 화합물

Crystalline quartz (SiO₂)

Non-crystalline quartz glass