반데르발스 힘

중성 분자 혹은 원자 사이의 거리가 가까워지면 인력이 강해진다. 이 힘의 근원은 쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도 쌍극자, 유도 쌍극자-유도 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력이며, 이 힘을 통칭하여 반데르발스 힘이라고 한다. 반데르발스 힘은 네덜란드의 과학자 반데르발스(Johannes Diderik van der Waals, 1837-1923)의 이름에서 유래한다. 반데르발스 힘은 분자 간에 작용하는 힘(intermolecular force)을 말하며, 원자들의 결합에 의한 이온 결합 또는 공유 결합과 같은 힘(intramolecular force)과 구별된다. 유기 화합물, 고분자 화합물, 분자성 고체 등의 다양한 물리적 특성은 반데르발스 힘에 의한 것이다.

목차

아래 그림은 Ar 원자 사이의 거리에 따른 퍼텐셜 에너지를 보여준다. 두 원자 사이의 거리가 가까워지면 인력이 강해지며 퍼텐셜 에너지는 낮아진다. 이 영역에서는 한 원자의 전자와 다른 원자의 원자핵 사이의 정전기적 인력이 가장 중요한 힘이다. 거리가 더 가까워지면 전자와 전자 사이의 반발력이 향상된다. 이 반발력은 파울리 배타 원리 때문으로 설명된다. 거리가 많이 가까워지면 원자핵 사이의 반발력이 급격하게 향상되며 퍼텐셜 에너지는 급격하게 높아진다. 일반적으로 인력이 크게 작용하는 거리에서의 힘을 반데르발스 힘이라고 한다. 이 구간에서의 반데르발스 힘은 거리의 6제곱에 반비례한다.

Ar 원자 사이의 거리에 따른 퍼텐셜 에너지 ()

HCl이나 H₂O와 같은 분자는 쌍극자 모멘트를 갖고 있다. 염소와 산소의 전기음성도가 수소보다 크기 때문에 공유하는 전자가 염소나 산소 쪽으로 치우쳐 쌍극자가 만들어진다. 따라서 HCl의 H 원자 쪽에 (@@NAMATH_INLINE@@\delta+@@NAMATH_INLINE@@), Cl 원자 쪽에 (@@NAMATH_INLINE@@\delta-@@NAMATH_INLINE@@)의 전하가 생기며, 이 전하 사이의 정전기적 인력이 반데르발스 힘이 된다.

HCl 분자의 쌍극자 모멘트 ()

N-H, O-H, F-H 결합이 있는 분자의 경우 매우 강한 쌍극자-쌍극자 상호작용이 존재하며, 이들 분자 간의 결합은 비교적 세기 때문에 특별히 수소 결합이라고 부른다.

물 분자 사이의 수소 결합 ()

쌍극자가 없는 분자에 전기장이 가해지면 전자 밀도의 변화로 인해 편극이 일어난다. 쌍극자를 가진 분자가 쌍극자가 없는 분자에 접근하여 순간적으로 만들어지는 쌍극자를 유도 쌍극자(induced dipole) 또는 순간 쌍극자(instantaneous dipole)라고 한다. 이렇게 만들어진 유도 쌍극자와 주위의 쌍극자 사이에 정전기적 인력이 생긴다.

외부 전기장에 의한 유도 쌍극자의 생성 ()

원자나 분자 내 전자는 한 위치에 고정되어 있지 않다. 전자를 특정한 공간에서 발견할 확률을 전자 밀도라고 한다. 전자 밀도는 전자의 분포 변화에 따라 분자의 한 부분에서 순간적으로 높아질 수 있다. 따라서 비극성 분자도 전자의 분포 변화 때문에 순간적으로 극성이 생겨 순간 쌍극자가 만들어질 수 있다. 분자가 극성을 띠면 분자의 한쪽에 (-) 전하, 다른 쪽에는 (+) 전하를 갖게 된다. 이와 같은 전하 분리 때문에 주위의 다른 분자들도 유도 쌍극자를 갖게 된다. 이렇게 만들어진 쌍극자 사이에 작용하는 인력을 분산력(dispersion force) 또는 런던 힘(London force)이라고 한다. 런던 힘은 독일의 물리학자 런던(Fritz London 1900-1954)에서 유래하였다.

유도 쌍극자가 만들어지는 과정 ()

일반적으로 분산력은 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의한 인력보다 작다. 하지만 고분자 물질이나 분자성 고체와 같이 분자량이 큰 경우 분산력은 매우 강한 결합력이 된다. 요오드는 분산력으로 인해 상온에서 고체 상태로 존재한다.

요오드 고체의 형성 과정 ()

쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자도 분자 간 인력의 상당 부분은 분산력에 의한 것이다. 아래 표는 극성 및 비극성 분자 사이의 상호작용에서 분산력이 차지하는 비율을 보여준다. HCl-HCl의 경우 86%가 분산력에 의한 것이며, 수소 결합을 하는 물도 분산력이 인력의 24%를 차지한다. (표1)