화학 고3 물질의 세 가지 상태

분자간 힘과 끓는점

Q: HF가 H2O보다 전기음성도 차이가 큰데 왜 끓는점은 물이 더 높나요?

수소 결합 하나하나의 세기가 아니라 '개수'가 문제입니다. 물 분자는 수소 두 개와 비공유 전자쌍 두 개를 가져 최대 4개의 수소 결합에 참여할 수 있지만, HF는 수소가 하나뿐이라 그물망을 그만큼 촘촘히 짜지 못합니다.

Q: 녹는점도 같은 규칙으로 비교하나요?

대체로 그렇지만 끓는점만큼 깔끔하지 않습니다. 녹는점은 분자가 결정 안에 얼마나 잘 들어맞는지(분자 모양의 대칭성)도 크게 영향을 주기 때문에, 분자 간 힘만으로 예측하면 어긋나는 경우가 생깁니다.

Q: 이온 결합 물질이나 금속은 왜 끓는점이 훨씬 높나요?

그것들은 애초에 '분자'가 아니라 이온이나 원자가 통째로 이어진 구조입니다. 끓이려면 분자 간 힘이 아니라 이온 결합이나 금속 결합 자체를 끊어야 하므로 훨씬 큰 에너지가 듭니다. 이 단원의 비교표는 분자 물질끼리만 적용됩니다.

끓는점은 분자 간 인력의 세기를 반영한다. 수소 결합 > 쌍극자-쌍극자 > 분산력 순으로 강하며, 같은 종류 힘이라면 분자량이 클수록 끓는점이 높다.

끓는점은 분자를 서로에게서 떼어 내는 데 필요한 에너지, 즉 분자 간 힘의 세기를 그대로 반영합니다. 힘이 셀수록 끓는점이 높습니다.

끓는점은 '분자들이 서로 얼마나 붙잡고 놓지 않는가'를 온도로 읽은 눈금입니다. 손을 꽉 잡고 있을수록 떼어 내는 데 더 높은 온도가 필요합니다.

쉽게 말하면

끓는점 비교 문제는 결국 두 가지만 묻습니다. 첫째, 어떤 종류의 분자 간 힘이 작용하는가. 둘째, 분자량이 얼마인가. 이 둘을 순서대로 적용하면 대부분 풀립니다.

분자량이 비슷하다면 힘의 종류로 순서가 갈립니다. 수소 결합 > 쌍극자-쌍극자 힘 > 분산력 순입니다. 힘의 종류가 같다면 이번에는 분자량으로 갈립니다 — 전자가 많을수록 분산력이 커지므로 분자량이 큰 쪽이 끓는점이 높습니다.

헷갈리는 지점은 이 두 기준이 서로 부딪힐 때입니다. 예를 들어 할로젠화 수소는 $HF > HI > HBr > HCl$ 순으로 끓는점이 높습니다. $HF$ 가 1등인 것은 수소 결합 때문이고, 나머지 셋이 $HCl \to HBr \to HI$ 로 갈수록 높아지는 것은 분산력 때문입니다. 즉 $HCl$ 이 꼴찌인 이유는 극성이 약해서가 아니라 전자가 가장 적어서입니다.

증기압과 끓는점을 함께 보면 이해가 완성됩니다. 분자 간 힘이 세면 액체 표면을 탈출하는 분자가 적어 증기압이 낮고, 증기압이 외부 압력만큼 올라가려면 더 뜨겁게 해야 하므로 끓는점이 높습니다. 결국 '분자 간 힘이 세다 → 증기압이 낮다 → 끓는점이 높다'는 한 줄로 이어집니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

16족 수소 화합물 — $H_{2} O$ 만 혼자 튑니다

$H_{2} S < H_{2} Se < H_{2} Te$ 는 분자량 순서대로 끓는점이 올라갑니다(분산력). 그런데 이 줄에서 가장 가벼운 $H_{2} O$ 는 예상 위치보다 훨씬 위, 아예 이 셋보다도 높은 곳에 있습니다. 물만 수소 결합을 하기 때문입니다. 15족의 $N H_{3}$ , 17족의 $HF$ 에서도 같은 '튐'이 나타납니다.
예시 2

14족 수소 화합물 — 예외 없이 분자량 순서

$C H_{4} < Si H_{4} < Ge H_{4} < Sn H_{4}$ 로 깔끔하게 올라갑니다. 넷 다 정사면체 대칭이라 무극성이고 분산력만 작용하므로, 오직 분자량이 순서를 정합니다. 수소 결합을 하는 원소가 하나도 없어 '튀는 점'이 없습니다.
예시 3

무극성인데 상온에서 고체

$I_{2}$ 는 완전한 무극성 분자여서 분산력만 작용하는데도 상온에서 고체이고, 끓는점이 물보다 높습니다. 분산력이 '가장 약한 힘'인 것은 맞지만, 전자가 아주 많으면 그 약한 힘이 쌓여 수소 결합을 넘어설 수 있습니다.

순서대로 하면

끓는점 순서 정하는 순서

1각 분자가 수소 결합을 하는지 먼저 봅니다 — N·O·F에 수소가 '직접' 붙어 있는가만 확인하면 됩니다.
2수소 결합을 하지 않는 것들에 대해, 극성인지 무극성인지 판단합니다. 결합의 극성이 아니라 분자 구조의 대칭까지 보고 정합니다.
3분자량을 비교합니다. 여기까지 조건이 비슷했다면 분자량이 큰 쪽이 위입니다.
4분자량 차이가 아주 크면 분산력이 앞의 기준을 뒤집을 수 있으니, 무극성이라고 무조건 아래로 두지 않습니다.
5분자식이 같은 이성질체라면, 가지가 적어 길쭉한 쪽이 접촉 면적이 넓어 끓는점이 높습니다.

세 가지 분자 간 힘

구분	분산력	쌍극자-쌍극자 힘	수소 결합
작용 대상	모든 분자	극성 분자	N·O·F에 H가 붙은 분자
원인	순간적인 전자 쏠림	영구적인 부분 전하	매우 진한 부분 전하 + 비공유 전자쌍
세기(분자량이 비슷할 때)	가장 약함	중간	가장 강함
세기를 키우는 요인	전자 수(분자량), 접촉 면적	쌍극자 모멘트	N·O·F의 개수
예	$C H_{4}$ , $I_{2}$ , $He$	$HCl$ , 아세톤	$H_{2} O$ , $HF$ , $N H_{3}$

자주 하는 오해

분자량이 크면 끓는점이 높다고 일괄 적용하기

이렇게 생각하기 쉬움

H_{2} S

가

H_{2} O

보다 무거우니 끓는점도 더 높다

실제로는

H_{2} O

가 훨씬 높습니다. 물만 수소 결합을 하기 때문에 분자량 규칙이 뒤집힙니다.

'분자량이 클수록 끓는점이 높다'는 규칙은 작용하는 힘의 종류가 같을 때만 쓸 수 있습니다. 힘의 종류가 다르면 종류를 먼저 보고, 그다음에 분자량을 봐야 합니다. 순서를 반대로 적용하는 것이 이 단원 최대의 함정입니다.

끓는점이 높은 것을 '분자가 튼튼해서'라고 설명하기

이렇게 생각하기 쉬움물의 끓는점이 높은 이유는

H_{2} O

분자의 결합이 강하기 때문이다

실제로는끓는점은 분자 '사이'의 힘이 결정합니다. 분자 안의 결합 세기와는 무관합니다.

물이 끓어도

H_{2} O

는 부서지지 않고 통째로 날아갑니다. 끓는 데 쓰인 에너지는 분자 사이의 수소 결합을 끊는 데 들어갔을 뿐입니다. '분자 내'와 '분자 간'을 구분하지 못하면 서술형에서 점수를 받지 못합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

분산력(런던 힘)고3 분자 간 힘고3 수소 결합고3 증기압과 끓는점고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태

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

자주 묻는 질문

HF

가

H_{2} O

보다 전기음성도 차이가 큰데 왜 끓는점은 물이 더 높나요?

수소 결합 하나하나의 세기가 아니라 '개수'가 문제입니다. 물 분자는 수소 두 개와 비공유 전자쌍 두 개를 가져 최대 4개의 수소 결합에 참여할 수 있지만,

HF

는 수소가 하나뿐이라 그물망을 그만큼 촘촘히 짜지 못합니다.

Q2녹는점도 같은 규칙으로 비교하나요?

대체로 그렇지만 끓는점만큼 깔끔하지 않습니다. 녹는점은 분자가 결정 안에 얼마나 잘 들어맞는지(분자 모양의 대칭성)도 크게 영향을 주기 때문에, 분자 간 힘만으로 예측하면 어긋나는 경우가 생깁니다.

Q3이온 결합 물질이나 금속은 왜 끓는점이 훨씬 높나요?

그것들은 애초에 '분자'가 아니라 이온이나 원자가 통째로 이어진 구조입니다. 끓이려면 분자 간 힘이 아니라 이온 결합이나 금속 결합 자체를 끊어야 하므로 훨씬 큰 에너지가 듭니다. 이 단원의 비교표는 분자 물질끼리만 적용됩니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 물질의 세 가지 상태 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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끓는점을 '증기압이 외부 압력과 같아지는 온도'로 다시 정의하는 증기압과 끓는점을 보면, 왜 산 위에서 물이 100도보다 낮은 온도에서 끓는지까지 설명됩니다.

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