분자들의 결합과 특성

분자내의 힘과 분자간의 힘

분자를 형성하기 위해 원자들은 화학결합(chemical bond)에 의해 함께 묶여 있습니다. 이 화학결합의 종류와 힘은 관련된 원자들에 따라 다릅니다. 이 결합은 분자 내부에 작용하는 힘이므로 분자내 힘(intramolecular force)라고 합니다. 단순히 chemical bond(화학결합)이라고 합니다.

정의: 분자내 힘(Intramolecular force)
분자를 구성하는 원자들의 힘

화학결합의 종류는 다음과 같습니다.
- 공유결합(Covalent bond): 비금속 원자들 사이에 이루어 집니다.
$CO_2  \leftrightarrows C^+ + O^{2-}$
- 이온결합(Ionic bond): 비금속과 금속간에 존재하는 결합. 예로
$NaCl \leftrightarrows Na^+ + Cl^-$
- 금속결합(Metallic bond): 금속결합은 금속에 고르게 퍼져있는 전자와 이온들 간의 전기적인결합입니다.

분자들간의 힘은 분자들을 묶는 결합입니다. 한잔의 물은 많은 물 분자들을 포함하고 있지요. 잔 속의 물들은 각각의 물 분자들을 분자간 힘들에 의해 묶여있는 것입니다. 이 분자간 힘의 세기는 그 물질의 녹는점과 끓는점 같은 특성에 영향을 주기 때문에 중요합니다. 예를들어 분자간의 힘이 강하면 그 물질의 녹는점과 끓는 점이 높습니다. 또한 분자간의 힘이 강할 수록 그 분자의 크기기 증가합니다.

정의: 분자간 힘 
분자들을 하나로 묶는 분자들 사이의 힘 

다음은 물분자에 대한 분자내, 분자간 힘을 나타낸 것입니다.

위 그림은 물분자내에서 이루어지는 intramolecular force와 intermolecular force를 나타낸 것으로 이 힘들은 물질의 운동이론(Kinetic Theory of matter)으로 부터 이해 할 수 있습니다.

물질의 운동이론 

물질의 운동이론은 물질들이 다른 상(고체, 액체, 기체)으로 존재하는 이유와 다른 상들로 변하는 방법을 설명하기 위해 사용됩니다. 이것은 물질의 특성들을 이해하는 기초가 됩니다.
- 물질은 입자들로 구성되며 일정하게 움직입니다.
- 모든 입자들은 에너지를 가지지만 그 에너지는 물질이 존재하는 상 즉, 고체, 액체, 기체에 따라 다양합니다. 고체 입자들은 최소의 에너지를 가지며 가스 입자들은 가장 큰 에너지르 가집니다.
- 물질의 온도는 입자들의 평균 운동에너지의 측정 값입니다.
- 상변화는 입자들의 에너지가 변할때 일어납니다.
- 물질의 입자들 사이에는 공간(spaces)이 존재합니다.
- 입자들 사이에는 인력(attractive forces)가 존재하며 입자들이 조밀하게 모여있을수록 인력을 증가합니다. 이 인력은 분자내의 힘 또는 분자간의 힘입니다. 입자들인  극단적으로 가까워지면 반발력(repulsive force)가 작동됩니다.

물질의 특성	기체	액체	고체
입자들	원자 또는 분자	원자 또는 분자	원자 또는 분자
입자의 에너지와 이동	고에너지, 일정한 움직임	기체보다 작은 에너지	저에너지, 고정된 위치에서 입자의 진동
입자들 사이의 공간	고에너지 때문에 큰공간	기체보다 작은 공간	입자들 사이에 매우 작은 공간. 입자들은 매우 조밀하게 모여있는 상태
입자들 사이의 인력	입자들 사이의 큰 공간으로 인해 약한 인력	기체보다 강한 인력, 물 줄기의 형성	강한 인력. 그러므로 고정된 부피를 보입니다.
상 변화	일반적으로 냉각에 의해 액체 또는 고체로 변할수 있습니다. 냉각에 의해 입자들의 에너지가 작아지기 때문에 입자들 사이의 공간은 작아지고 인력은 더 강해집니다.	가열에 의해 기체가 되고 냉각에 의해 고체가 됩니다.	가열에 의해 액체 또는 기체가 됩니다.

다음 그림은 물의 상태 즉, 기체,액체, 고체의 상태를 개념적으로 나타낸 것입니다.

위그림의 ice에서는 물분자가 매우 낮은 에너지를 갖고 분자들 사이에 강한 인력으로 인해 움직임의 여지가 매우 작습니다. 그러므로 분자들 사이의 공간은 매우 협소합니다. 이러한 구조를 격자(lattice)구조라고 합니다. ice를 가열하는 것으로 물 분자의 에너지는 증가하여 분자간의 힘을 극복하게 됩니다. 그러므로 분자들이 격자구조는 무너지고 각 분자의 움직임을 고체의 경우 보다 자유로워지므로 분자간의 공간 역시 매우 크게 증가합니다.  액체 상태인 물을 더욱 가열한다면 분자의 에너지는 더욱 증가할 것입니다. 그러므로 분자간의 힘은 거의 작동되지 않게 되며 일정한 부분에 증기 덩어리로서 존재시키는 것이 어려울 정도로 매우 분자들의 움직임은 매우 자유롭게 됩니다.
이러한 상변화는 다음 그림으로 요약할 수 있습니다.

물질의 특성 

위에서 언급한 것과 같이 물질의 운동이론은 결합과 결합된 물질의 특성을 이해하는데 도움을 줍니다. 가장 대표적인 예 두가지를 살펴봅니다.
1. 녹는점(Melting point, 융점)
정의 : 녹는점(융점)
고체를 액체로 변화시키는 즉, 융해시키는 온도. 융해의 반대과정은 응고입니다. 

고체가 녹기 위해서는 입자의 에너지가 조밀하게 묶여있는 입자들의 구조(격자구조)를 극복 할만큼 충분히 증가해야합니다. 그렇다면 강한 결합에 의해 결합된 고체는 결합이 약한 부분보다 융점이 높을 것이다. 강하게 결합되어 있다는 것은 입자들 사이에 서로가 끌어당기는 인력이 크다는 것으로 그 인력의 강도보다 커야 하기 때문에 더 많은 에너지(열)가 필요할 것이기 때문입니다. 우리가 살펴본 예에서 금속, 이온성 고체 및 일부 원자 격자 (예 : 다이아몬드)는 높은 녹는점(융점)을 가지지만 분자 고체 및 기타 원자 격자 (예 : 흑연)의 융점은 훨씬 낮습니다. 일반적으로 분자 고형물 간의 분자간 힘은 이온성 고형물과 금속 고형물 사이의 힘보다 약합니다.

2.끓는점(Boiling point)
정의 : 끓는점
액체가 기체로 변화되는 온도

액체의 온도가 증가하면 입자의 평균 운동 에너지도 증가하며, 액체에서 액체를 유지하는 결합력을 극복 할 수 있습니다. 끓는점에 도달하면 증발이 일어나고 액체의 일부 입자가 가스가됩니다. 즉, 입자의 에너지가 너무 커서 액체에 더 이상 담을 수 없습니다. 액체 내의 결합이 강할수록 이러한 결합을 끊기 위해 끓는점이 높아야합니다. 금속 및 이온 성 화합물은 높은 끓는점을 가지지 만 분자 액체의 끓는점은 낮습니다.

물질	녹는점(oC)	끓는점(oC)
에탄올(C2H6O)	-114.3	78.4
물(H2O)	0	100
수은(Hg)	-38.83	356.73
염화나트륨(NaCl)	801	1465

위 표는 몇가지 물질의 녹는점과 끓는점을 나타낸 것입니다. 표의 물질들 중에 에탄올이 가장 약한 분자간 힘(인력)을 가지며 염화나트륨이 가장 높은 인력을 가집니다.

4. 밀도와 점도(Density and viscosity)
$\text{Density} = \frac{Mass}{Volume}$
일반적으로 고체의 밀도는 액체보다 높습니다. 고체가 더 조밀한 구조로 결합되어 있기 때문에 액체보다 부피가 작기 때문입니다. 이것은 분자간의 힘의 증가하면 밀도가 증가한다는 것을 의미합니다. 그러나 모든 물질이 그렇지는 않습니다. 물의 경우 얼음의 밀도가 물보다 작습니다.
점도는 액체의 형태가 변화하는데 작용하는 저항성(내성)의 척도입니다. 점도는 유체의 '두께'라고도합니다. 예를 들어 시럽과 물을 한 용기에서 다른 용기로 옮기는 정도를 정도를 생각해 보면 점도를 쉽게 이해할 수 있을 것입니다. 시럽의 점도는 물의 점도보다 크지요. 이 특성 역시 액체 내의 분자간 힘이 강할수록 점도가 커진다고 할 수 있습니다.