[Organic Chemistry] 분자들 사이에 작용하는 힘 (Intermolecular Forces)

유기화학 프로젝트의 두 번째 게시물입니다!

오늘은 분자 간에 작용하는 힘들에 대해서 포스팅할 예정입니다!

 

Intermolecular Forces란 분자들 사이에서 일어나는 상호작용을 의미합니다. 이온 화합물과 공유 화합물은 매우 다른 분자 간의 상호작용(Intermolecular interaction)을 가지고 있습니다. 앞에서 포스팅했던 작용기가 이러한 상호작용의 종류와 세기를 결정합니다. 

 

1. Ion-Ion Interaction

 

NaCl structure

이온 화합물은 서로 매우 강력한 정전기적 상호작용을 하는 반대 전하를 가지는 입자들로 구성이 됩니다. 이러한 Ion-Ion Interaction의 potential energy의 경우 거리에 반비례하지만, 밑에서 설명할 dipole-dipole Interaction과 같은 경우에는 거리의 3승, 6승에 반비례합니다. 그렇기때문에 이온-이온 상호작용(Ion-Ion interaction)은 공유 화합물 사이에 일어나는 Intermolecular Forces보다 매우 강하다는 것을 알 수 있습니다.

 

2. van der Waals forces

 

van der Waals Force between two methanes

런던 힘(London force)라고도 알려져 있는 반 데르 발스 힘은 분자 내의 순간적인 전자밀도의 변화에 의해 유발되는 매우 약한 상호작용입니다. 메테인의 경우 무극성 분자로 net dipole이 없는 것을 확인할 수 있습니다. 하지만 어느 순간에 전자밀도가 완전한 대칭을 이루지 못할 경우에 순간적인 dipole이 생성되고, 이들이 다른 메테인 분자 또한 순간적인 dipole로 유발할 수 있습니다. 이러한 순간적인 dipole들의 약한 상호작용들에 의해서 van der Waals forces가 구성됩니다. 

 

이번 포스팅에서 배우는 분자간의 힘은 물리화학에서 자세하게 배웁니다!  van der Waals forces의 경우에는 거리의 6승에 반비례하며 모든 분자들이나 이온들 사이에서 일어날 수 있습니다.

 

pentane v.s. neopentane

이러한 순간적인 쌍극자(temporary dipole)에 의해서 상호작용이 이루어지기 때문에 분자의 표면적에 따라서 van der Waals forces의 세기가 달라집니다. 그 이유는 표면적이 더 크다면 순간적인 쌍극자들끼리 상호작용하는 면적이 더 커지기 때문입니다. 예를 들면 펜테인(pentane)과 네오펜테인(neopentane)이 있는데, 네오펜테인은 펜테인에 비해서 compact 한 구조, 작은 표면적을 가지고 있기 때문에 더 작은 van der Waals interaction을 가질 것입니다.

 

Fluorine and Iodine molecule

표면적과 더불어서 van der Waals forces에 영향을 주는 요소는 분극률(polarizability)가 있는데, 분극률이란 원자 주위의 전자구름이 전자 환경의 변화에 ​​어떻게 반응하는지를 측정한 것이에요. 아이오딘과 같은 큰 원자의 원자가 전자(valence electron)는 플루오린의 원자가 전자(valence electron) 보다 약하게 구속되어있기때문에 아이오딘이 플루오린에 비해서 분극이 되기 쉬워지는 것입니다.

 

3. Dipole-Dipole Interactions

 

Dipole-Dipole Interaction of acetone

쌍극자-쌍극자 상호작용(Dipole-Dipole Interactions)은 두 개의 극성 분자의 영구적인 쌍극자들 사이에서 생기는 인력을 말합니다. 극성 분자들이 근접하게 되면 분자의 partial positive charge와  partial negative charge의 상호작용에 의해서 가깝게 정렬되게 되고 이로 인해서 쌍극자-쌍극자 상호작용이 생기게 되는 것입니다.  Dipole-Dipole Interactions는 영구적인 쌍극자에 의해서 생기는 힘이기 때문에 순간적인 쌍극자에 의해서 생기는 van der Waals forces보다 힘의 세기가 더욱 강력합니다.

 

4. Hydrogen Bonding

hydrogen bond

수소결합(Hydrogen Bonding)은 전형적으로 O, N 또는 F에 결합된 수소 원자가 다른 분자에서 O, N 또는 F 원자 상의 비공유 전자 쌍에 정전기적으로 끌어당겨질 때 발생합니다. 위에서 언급한 van der Waals force와 Dipole-Dipole Interaction들 사이에서는 가장 센 분자 간의 힘입니다. 그렇기 때문에 탄수화물이나 단백질의 3차원 구조를 결정할 때 수소결합을 확인하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있습니다.

 

Problem Session

 

Problem

각 화합물에 존재하는 intermolecular forces의 종류를 서술해봅시다!

Answer

1. van der Waals force

2. van der Waals force / Dipole-Dipole Interaction

3. van der Waals force / Dipole-Dipole Interaction / Hydrogen Bonding

4. van der Waals force / Dipole-Dipole Interaction

5. van der Waals force / Dipole-Dipole Interaction

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