분산력

극성이 없는 분자(또는 원자) 사이에 작용하는 힘을 분산력이라고 한다. 분산력은 독일의 물리학자 런던(Fritz Wolfgang London, 1900 - 1954)의 업적을 기리기 위해 런던힘(London force)이라고 부르기도 한다. 원자나 분자 내의 전자는 한 위치에 고정되어 있지 않으며, 전자를 특정 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 생기면서 순간 쌍극자(dipole) 또는 다중극자(multipole)가 만들어질 수 있다. 분자가 극성이 띠면, 분자의 한쪽에 (-) 전하, 다른 쪽에는 (+) 전하를 갖게 된다. 이와 같은 전하 분리 때문에 주위의 다른 분자들도 유도 쌍극자를 갖는다. 분산력의 근원은 이렇게 만들어진 쌍극자 사이에 작용하는 인력이다.

비극성 물질의 녹는점, 끓는점, 용해도 등의 특성은 이 힘으로 결정된다. 도마뱀붙이는 발바닥과 유리 표면 사이의 분산력으로 유리벽이나 천정에 붙어 이동할 수 있다.¹⁾

유리면을 따라 올라가는 도마뱀붙이의 발바닥 ()

목차

분자간 작용하는 힘을 통칭하여 반데르발스 힘이라고 한다. 반데르발스 힘은 (1) 쌍극자-쌍극자 상호작용, (2) 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용, (3) 유도 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용으로 나눌 수 있다. 유도 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용을 특히 분산력이라고 한다.

일반적으로 분산력은 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의한 인력보다 작다. 하지만 고분자 물질이나 분자성 고체와 같이 분자량이 큰 경우에는 분산력은 매우 강한 결합력이 된다.

쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자도 분자 간 인력의 상당 부분은 분산력에 의한 것이다. 비극성 분자인 @@NAMATH_INLINE@@{CH}_4 - CH_4 @@NAMATH_INLINE@@ 상호작용은 100% 분산력에 의한 것이다. 영구 쌍극자를 가진 HCl 분자 간 상호작용의 경우에는 인력의 86%가, 수소 결합을 하는 물 분자도 인력의 24%가 분산력에 의한 것이다.

분자 내 전자의 분포 변화로 분자가 극성을 띄는 경향을 편극성(polarizability)이라고 한다. 편극성이 클수록 분산력이 크다. 주기율표의 같은 족에 있는 원자의 경우 원자번호가 클수록 편극성이 크며, 같은 주기에서는 원자번호가 작을수록 편극성이 크다. 아래 그림은 원자번호에 따른 영족 기체의 녹는점과 끓는점을 보여준다. 주기율표에서 아래로 갈수록 전자의 수와 원자의 크기가 커지면서 분산력이 커지며, 녹는점과 끓는점이 높아지는 것을 볼 수 있다.

영족 기체의 녹는점과 끓는점 ()

분자에서의 분산력은 분자량 및 분자의 모양에 따라 달라진다.

아래 그림은 탄소 수에 따른 알케인족 탄화수소(@@NAMATH_INLINE@@C_n H_{2n+2} @@NAMATH_INLINE@@)의 끓는점을 보여준다. 메테인(@@NAMATH_INLINE@@C H_4 @@NAMATH_INLINE@@)의 끓는점은 -161.49 °C로 상온에서 기체지만, 왁스 성분 중의 하나인 @@NAMATH_INLINE@@C_{30} H_{62} @@NAMATH_INLINE@@의 녹는점은 65.8 °C로 상온에서 고체이다. 일반적으로 길고 가는 분자의 편극성이 짧고 굵은 분자에 비교해 편극성이 크며, 분산력의 세기도 더 크다. 또한 길고 가는 분자는 쉽게 겹쳐질 수 있으므로 인력이 커진다. 예를 들어 i-옥테인의 끓는점은 99.3 °C인 반면에, n-옥테인의 끓는점은 125 °C이다.

n-옥테인과 iso-옥테인의 끓는점 (출처: 대한화학회)

1. Hsu, Ping Yuan; Ge, Liehui; Li, Xiaopeng; Stark, Alyssa Y.; Wesdemiotis, Chrys; Niewiarowski, Peter H.; Dhinojwala, Ali (24 August 2011). 'Direct evidence of phospholipids in gecko footprints and spatula-substrate contact interface detected using surface-sensitive spectroscopy'. Journal of the Royal Society Interface. 9 (69): 657–664. doi: . ISSN .