화학 고3 물질의 세 가지 상태 심화

쌍극자-쌍극자 힘

극성 분자 사이에서 (+)극과 (-)극이 인력을 통해 정렬되는 분자 간 인력. 분산력보다 강하며 끓는점·증기압에 영향을 준다.

극성 분자끼리 한 분자의 부분 양전하와 이웃 분자의 부분 음전하가 서로 마주 보도록 정렬하며 생기는 분자 간 인력입니다.

작은 막대자석들을 상자에 담고 흔들면 N극과 S극이 마주 보게 자리를 잡습니다. 극성 분자도 마찬가지로 (+)쪽과 (−)쪽을 맞대며 서로를 붙듭니다.

쉽게 말하면

분자의 극성을 가진 분자는 전자가 한쪽으로 치우쳐 있어 항상 부분 양전하(δ+)와 부분 음전하(δ−)를 가지고 있습니다. 이런 분자들이 모이면 서로 반대 전하를 마주 보도록 방향을 맞추고, 그만큼 에너지가 낮아지면서 인력이 생깁니다. 이것이 쌍극자-쌍극자 힘입니다.

분산력의 순간 쌍극자와 결정적으로 다른 점은 '늘 있다'는 것입니다. 분산력은 전자가 우연히 쏠린 찰나에만 생기지만, 극성 분자의 쌍극자는 언제나 같은 방향으로 고정되어 있습니다. 그래서 분자량이 비슷한 두 물질을 비교하면 극성 분자 쪽이 무극성 분자보다 끓는점이 확실히 높습니다.

다만 이 힘은 수소 결합보다는 약합니다. 수소 결합도 넓게 보면 아주 강한 쌍극자-쌍극자 힘의 특별한 경우인데, N·O·F에 붙은 수소는 전하 밀도가 워낙 커서 따로 이름을 붙여 구분합니다.

주의할 점은 쌍극자-쌍극자 힘이 언제나 분산력보다 세지는 않다는 것입니다. 분자 간 힘은 겹쳐서 작용하고, 분자량 차이가 크면 분산력이 판을 뒤집습니다. 그래서 끓는점을 비교할 때는 '이 분자가 극성인가'와 '전자가 몇 개인가'를 함께 봐야 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$CO$ 와 $N_{2}$

둘 다 원자 두 개짜리이고 분자량도 거의 같습니다(28로 같습니다). 그런데 $CO$ 는 약한 극성이 있고 $N_{2}$ 는 완전한 무극성이라, $CO$ 의 끓는점이 조금 더 높습니다. 분자량이 같으면 분산력도 비슷하므로, 차이는 쌍극자-쌍극자 힘 하나에서 옵니다.
예시 2

아세톤은 왜 잘 마를까

아세톤은 극성 분자여서 쌍극자-쌍극자 힘을 가지지만 수소 결합은 하지 못합니다(산소는 있어도 그 산소에 수소가 붙어 있지 않습니다). 그래서 분자 간 힘이 물보다 훨씬 약하고, 증기압이 높아 손에 묻으면 금방 증발합니다.
예시 3

극성 분자는 극성 용매에 잘 녹습니다

'비슷한 것끼리 녹인다'는 규칙의 정체가 이 힘입니다. 극성 분자는 극성 용매 분자와 쌍극자-쌍극자 힘으로 서로 붙잡을 수 있어 잘 섞이고, 무극성 분자는 그 자리를 파고들 힘이 없어 물과 기름처럼 층을 이룹니다.

자주 하는 오해

극성 결합이 있으면 극성 분자라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C O_{2}

에는 극성인

C = O

결합이 있으니 쌍극자-쌍극자 힘이 작용한다

실제로는

C O_{2}

는 직선형이라 양쪽 결합의 극성이 정확히 상쇄되어 무극성 분자입니다. 쌍극자-쌍극자 힘이 없고 분산력만 작용합니다.

분자의 극성은 결합의 극성을 방향까지 따져 더한 결과입니다.

CC l_{4}

도 결합은 모두 극성이지만 정사면체 대칭이라 상쇄되어 무극성입니다. 반면

H_{2} O

는 굽은 모양이라 상쇄되지 않아 극성입니다. 결합의 극성만 보고 판단하면 분자 구조를 통째로 빠뜨리는 셈입니다.

쌍극자-쌍극자 힘이 분산력보다 항상 세다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움극성 분자면 무극성 분자보다 무조건 끓는점이 높다

실제로는분자량이 비슷할 때만 그렇습니다. 무극성이라도 분자량이 훨씬 크면 분산력이 커져 끓는점이 더 높을 수 있습니다.

극성 분자인

HCl

보다 무극성 분자인

B r_{2}

가 끓는점이 훨씬 높습니다.

B r_{2}

는 전자가 워낙 많아 분산력이 크기 때문입니다. 두 힘의 세기를 비교하는 순서표는 '분자량이 비슷할 때'라는 조건이 붙어 있다는 걸 기억해야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

분자의 극성고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 간 힘고3

같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태

게이-뤼삭 법칙고3 그레이엄 확산 법칙고3 기체 운동론고3 보일 법칙고3 분산력(런던 힘)고3 분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3 상평형 그림고3 샤를 법칙고3 수소 결합고3 아보가드로 법칙고3 이상 기체 법칙고3 증기압과 끓는점고3 혼합 기체와 분압고3

자주 묻는 질문

Q1수소 결합도 결국 쌍극자-쌍극자 힘 아닌가요?

원리는 같습니다. 다만 N·O·F에 붙은 수소는 전자를 거의 빼앗겨 부분 양전하가 유난히 진하고 원자도 작아서, 다른 극성 분자와는 세기 차이가 너무 큽니다. 그래서 따로 이름을 붙여 구분합니다.

Q2쌍극자-쌍극자 힘은 액체와 고체에서만 중요한가요?

네, 실질적으로 그렇습니다. 기체는 분자 사이가 워낙 멀어 이 힘이 거의 작용하지 못합니다. 기체를 이상 기체로 근사할 수 있는 이유가 여기에 있습니다.

Q3극성이 클수록 쌍극자-쌍극자 힘도 큰가요?

같은 종류끼리 비교하면 그렇습니다. 쌍극자 모멘트가 클수록 서로 끌어당기는 힘이 세지고, 그만큼 끓는점이 높아집니다. 다만 분자량 차이가 크면 분산력이 이 경향을 덮어 버릴 수 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 물질의 세 가지 상태 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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세 가지 힘을 한 줄에 세워 실제 물질의 끓는점 순서를 정하는 법은 분자간 힘과 끓는점에서 다룹니다.

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