🧪 분자 간의 힘과 물질의 상태

핵심 내용: 쌍극자-쌍극자 힘, 분산력, 수소 결합의 특징, 액체의 증기 압력과 끓는점 비교.

지난 글까지는 기체 분자들이 서로 무시하고 날아다니는 상황(이상 기체)을 가정했다. 하지만 실제로는 분자들끼리 서로 끌어당기는 힘, 즉 인력이 존재한다.

이 힘 때문에 기체가 액체가 되고, 액체가 고체가 된다. 오늘은 물질의 상태를 결정짓는 분자 간 상호작용의 3가지 종류를 완벽하게 정리한다.

1. 분자 간의 힘이 중요한 이유

물질의 끓는점($b.p$)과 녹는점($m.p$)은 분자 간의 인력을 끊어내는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한가를 나타내는 척도다.

이제 이 인력에 대해서 하나씩 알아본다.

"극성 분자끼리의 줄다리기"

전자가 한쪽으로 치우친 극성 분자들 사이에서 작용하는 힘이다.

"모든 분자에 존재하는 기본 옵션"

무극성 분자를 포함한 모든 분자 사이에 작용하는 힘이다.

원리: 전자는 끊임없이 움직이다가 순간적으로 한쪽으로 쏠릴 수 있다. 이때 순간적인 쌍극자(편극)가 생기며 찰나의 인력이 발생한다.
결정 요인:
1. 분자량(전자 수): 분자량이 클수록 편극이 잘 일어나 분산력이 세진다. (예: $F_2 < Cl_2 < Br_2 < I_2$)
2. 분자 모양: 분자량이 비슷하다면, 표면적이 넓을수록(접촉 면적이 클수록) 분산력이 세다. (예: 네오펜테인 < 노말 펜테인)

"분자 간 힘의 최강자"

쌍극자-쌍극자 힘의 특수한 형태로, 다른 힘보다 압도적으로 강하다.

조건: 전기 음성도가 매우 큰 $F$(플루오린), $O$(산소), $N$(질소)에 직접 결합한 $H$(수소) 원자가, 이웃한 분자의 $F, O, N$ 비공유 전자쌍과 강하게 결합하는 현상이다. ($FON$을 기억해야한다!)
특징: 분자량에 비해 끓는점이 비정상적으로 높다.
예시: $HF$, $H_2O$(물), $NH_3$(암모니아), 에탄올 등.

물은 수소 결합 때문에 같은 족의 다른 수소 화합물($H_2S$ 등)보다 끓는점이 훨씬 높다.

구조: 물 분자 하나는 최대 4개의 다른 물 분자와 수소 결합을 할 수 있다.
얼음의 부피: 물이 얼음이 될 때 수소 결합으로 인해 빈 공간이 많은 육각형 구조를 형성한다. 그래서 고체(얼음)가 액체(물)보다 부피가 크고 밀도가 작다. (겨울에 수도관이 터지는 이유)

시험에 무조건 나오는 그래프다. 14~17족 수소 화합물의 끓는점 경향성을 살펴봐야한다.

2주기 ($H_2O, HF, NH_3$): 분자량은 작지만 수소 결합 때문에 끓는점이 압도적으로 높다.
3주기 이후 ($H_2S, HCl$ 등): 수소 결합이 없다. 주기가 커질수록 분자량이 증가하므로 분산력이 커져 끓는점이 서서히 올라간다.
14족 ($CH_4, SiH_4$ 등): 무극성 분자들이다. 오직 분산력만 작용하므로 분자량 증가에 따라 끓는점이 정직하게 비례한다.

힘의 세기 순서 (일반적):
$$\text{수소 결합} \gg \text{쌍극자-쌍극자 힘} > \text{분산력}$$
(단, 분자량 차이가 엄청나게 크면 분산력이 더 셀 수도 있다.)
분산력: 모든 분자에 존재하며, 분자량이 클수록 강하다.
수소 결합: $F, O, N$에 붙은 수소가 만든다. 끓는점을 비약적으로 높인다.
판별 순서:
- 수소 결합이 가능한가? (O) $\rightarrow$ 끓는점 최상위
- 극성 분자인가? (O) $\rightarrow$ 쌍극자 힘 + 분산력
- 무극성인가? (O) $\rightarrow$ 오직 분산력 (분자량 따지기)