화학 고3 물질의 세 가지 상태 심화

분산력(런던 힘)

순간 쌍극자에 의해 유발되는 분자 간 인력으로, 모든 분자에 작용하며 분자량이 클수록 강해진다. 진로선택 「물질과 에너지」 소속.

전자가 순간적으로 한쪽에 몰려 생긴 '순간 쌍극자'가 이웃 분자에도 쌍극자를 유발하면서 서로 끌어당기는 힘으로, 전자를 가진 모든 분자와 원자에 작용합니다.

전자는 가만히 있지 않습니다. 아주 짧은 순간을 잘라 보면 언제나 한쪽으로 조금 쏠려 있고, 그 쏠림이 옆 분자의 전자도 밀어내 반대로 쏠리게 만듭니다. 이렇게 순간마다 짝을 맞춘 쏠림이 평균적으로 인력을 남깁니다.

쉽게 말하면

무극성 분자는 평균적으로 전하가 고르게 퍼져 있어 (+)극도 (−)극도 없습니다. 그렇다면 헬륨이나 산소는 왜 액체가 될까요? '평균적으로' 고르다는 말이 '항상' 고르다는 뜻이 아니기 때문입니다. 어느 한순간을 찍어 보면 전자는 늘 한쪽으로 조금 치우쳐 있고, 그 순간 분자는 아주 약한 쌍극자가 됩니다. 이 순간 쌍극자가 옆 분자의 전자를 밀어내면 옆 분자에도 반대 방향의 쌍극자가 유발되고, 둘은 서로 끌어당깁니다.

분산력이 얼마나 센지는 전자가 얼마나 쉽게 쏠릴 수 있는지에 달렸습니다. 전자가 많고(분자량이 크고) 전자가 원자핵에서 멀리 퍼져 있을수록 쏠리기 쉬워 분산력이 커집니다. 그래서 같은 계열에서는 거의 예외 없이 분자량이 클수록 끓는점이 높습니다.

분자의 '모양'도 영향을 줍니다. 분자식이 똑같아도 길쭉한 분자는 서로 옆구리를 넓게 맞대므로 분산력이 크고, 가지가 많아 공처럼 뭉친 분자는 맞닿는 면이 좁아 분산력이 작습니다. 그래서 가지가 많은 이성질체가 끓는점이 더 낮습니다.

분산력은 분자 간 힘 중 가장 약한 축에 들지만, '가장 약하니까 무시해도 된다'고 생각하면 안 됩니다. 분자량이 커지면 분산력만으로도 수소 결합을 능가할 수 있고, 실제로 아이오딘( $I_{2}$ )은 무극성인데도 상온에서 고체입니다. 자세한 비교는 분자간 힘과 끓는점에서 다룹니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

할로젠 원소의 상태가 아래로 갈수록 바뀝니다

$F_{2}$ 와 $C l_{2}$ 는 상온에서 기체, $B r_{2}$ 는 액체, $I_{2}$ 는 고체입니다. 넷 다 완벽한 무극성 분자여서 작용하는 분자 간 힘은 분산력뿐인데, 아래로 갈수록 전자가 많아져 분산력이 세지기 때문에 상태가 이렇게 달라집니다.
예시 2

비활성 기체도 액체가 됩니다

헬륨·네온·아르곤은 원자 하나로 존재하고 결합도 극성도 없지만, 충분히 냉각하면 모두 액체가 됩니다. 분산력조차 없다면 어떤 온도에서도 액화되지 않았을 것입니다. 끓는점은 전자가 많은 아래쪽 원소일수록 높습니다.
예시 3

같은 분자식, 다른 끓는점

$C_{5} H_{12}$ 에는 사슬이 곧게 뻗은 것과 가지가 많이 갈라진 것이 있습니다. 분자량은 똑같은데, 곧은 사슬 쪽이 끓는점이 더 높습니다. 서로 몸을 길게 맞댈 수 있어 분산력이 커지기 때문입니다.

자주 하는 오해

분산력은 무극성 분자에만 작용한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움극성 분자에는 쌍극자-쌍극자 힘, 무극성 분자에는 분산력

실제로는분산력은 전자를 가진 모든 분자에 작용합니다. 극성 분자에는 쌍극자-쌍극자 힘에 분산력이 '더해집니다'.

분산력의 원인은 전자의 순간적인 쏠림이고, 전자는 극성 분자에도 있습니다. 심지어 물처럼 수소 결합을 하는 분자에도 분산력은 작용합니다. 힘의 종류를 택일 문제로 외우면 끓는점 비교에서 반드시 막힙니다.

분산력은 언제나 가장 약하니 끓는점도 항상 가장 낮다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움분산력만 있는 물질은 수소 결합을 하는 물질보다 끓는점이 낮다

실제로는분자량이 충분히 크면 분산력만으로도 수소 결합을 이깁니다.

I_{2}

는 무극성인데도 상온에서 고체이고, 끓는점이 물보다 높습니다.

'수소 결합 > 쌍극자-쌍극자 > 분산력'이라는 순서는 분자량이 비슷할 때 한 쌍씩 비교한 결과입니다. 분산력은 하나하나는 약해도 전자 수에 따라 얼마든지 커질 수 있어서, 분자량 차이가 크면 순서가 뒤집힙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3

같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태

게이-뤼삭 법칙고3 그레이엄 확산 법칙고3 기체 운동론고3 보일 법칙고3 분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3 상평형 그림고3 샤를 법칙고3 수소 결합고3 쌍극자-쌍극자 힘고3 아보가드로 법칙고3 이상 기체 법칙고3 증기압과 끓는점고3 혼합 기체와 분압고3

자주 묻는 질문

Q1'런던 힘'과 '분산력'은 다른 것인가요?

같은 것을 부르는 다른 이름입니다. '런던 분산력'이라고 함께 쓰기도 합니다.

Q2전자가 순간적으로 쏠린다면, 그 쏠림은 곧 반대로도 바뀔 텐데 왜 힘이 남나요?

쏠림이 바뀔 때 옆 분자의 유발된 쏠림도 함께 따라 바뀌기 때문입니다. 두 분자의 쌍극자가 항상 짝을 맞춰 움직이므로, 순간마다 방향은 달라져도 언제나 인력 쪽으로 나타납니다. 그래서 평균을 내도 0이 되지 않습니다.

Q3분산력이 세지려면 분자량이 커야 한다고 하는데, 진짜 원인이 무게인가요?

무게 자체가 아니라 '전자의 수와 퍼짐'이 원인입니다. 다만 무거운 분자일수록 전자가 많고 전자 구름이 넓게 퍼져 있어 결과적으로 분자량과 잘 맞아떨어질 뿐입니다.

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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