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분자간의 힘

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by

Chang-Hoon Nam

on 1 June 2015

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Transcript of 분자간의 힘

Bonding vs Intermolecular Force

in NATURE
Intermolecular Forces
Unit1
In polar molecules, need to consider both “dipole-dipole force” and “London force”.
HCl: ‒-85 C; HBr: ‒-67 C; HI: ‒-35 C
Boiling points of hydrogen halides are as follows.
왜??
‒. Overlap b/w molecular orbitals

‒. Electrostatic repulsion b/w two nuclei
Why?
반발력
수소결합
1) CH3OCH3; 2) CH3COOH; 3) CH3CH2OH; 4) CH3CHO
Which one(s) can have hydrogen bonding with adjacent molecules?
그러나 H2O, HF, NH3는 예외적으로
높은 끓는점을 지닌다.
수소결합
분자의 배열
분자의 운동
분자 사이의 거리
분자 간 힘의 크기
밀도

Features of each state

물질을 이루는 세 개의 상(phase)
분자 간의 힘


물질의 성질 예측
- 녹는점, 끓는점
예) 아래 화합물 중 녹는점이 높은 것은?





- 어떠한 성질들에 영향을 줄까?

혼합물의 물리적 분리
- 증류(Distillation)
- 크로마토그래피(Chromatography)


WHAT WE CAN





물질의 상태(State of Matters)
- 고체 vs 액체 vs 기체

분자 간 힘(Intermolecular Forces)
- 힘의 근원, 전자기력
- 이온-쌍극자 힘(Ion-Dipole Force)
- 쌍극자-쌍극자 힘(Dipole-Dipole Force)
- 런던 힘(London Force)
- 수소 결합(Hydrogen Bond)
- 반발력

분자 간 힘에 의한 현상
- 표면장력(Surface Tension)
- 모세관 현상(Capillary Action)

WHAT TO KNOW

Chapter 1

분자간의 힘

Charles J. Pedersen: 1987년 노벨 화학상
18-crown-6
Chemicals which have
strong ion-dipole forces
with either cation or anion

어떤 예가 있을까?
Dissolve KCl(s)
in Et2O?????
탐구할 문제
induced dipole
London 상호작용
이온-쌍극자 상호작용
dissolution(용해)
solvent(용매)
solute(용질)
39oC
21oC
cis
trans
Which one has higher boiling point?
쌍극자-쌍극자 상호작용
K+ vs Ba2+ (135pm)
Na+ vs K+ (138pm)
Which one is more hydrated?
공유결합을 이루는
두 원자 사이에
전기음성도 격차가
존재할 때
거의 모든 분자간 상호작용은
쿨롱 상호작용에 기인한다.
에너지 그래프 읽는 법??
옆 그림에서 발견할 수 있는 차이점은??
결합 vs 분자간의 힘
수화(hydration)
수화 vs 용해

에너지 불리에도 불구하고 수화가 가능한 이유??

이온-쌍극자 상호작용에 미치는 퍼텐셜 에너지는?
δ+

δ-‒

쌍극자란?
이온-쌍극자 상호작용
이온-쌍극자 상호작용
그 이유는 무엇일까??
식의 유도!!!
크기와 방향
1번 식의 유도!!!
이유는?
유발쌍극자(induced dipole)간의 상호작용
편극률(Polarizability)에 비례
편극률을 결정하는 요소

1. 분자 내 전체 전자의 갯수
2. 분자의 모양(크기, 접촉면적)
36 10
14
15
16
17
18
14족에서 18족까지
왼쪽 표에 등장하는
원자나 화합물들의
끓는점 추이는
London 상호작용으로 설명된다.
가장 전기음성도가 큰 F,O,N과
결합한 H가 인근의 F,O,N의
고립전자쌍과 선형/비대칭
상호작용
F/O/N—H·······:F/:O/:N
두 원 내부 물질들의
끓는점 추이를 설명하라.
이 상호작용은 분자간 상호작용 가운데 가장 강력하다.
Na2CO3 10H2O
K2CO3 1.5H2O
BaCl2 2H2O
KCl
London 상호작용
Van der Waals 상호작용이란?
두 종류 분자간 힘 사이의 경쟁??
예외적 상황 왜??

H2O HF NH3 순서인 까닭???
수소결합
생체 내에서 아주 중요
분자간 힘
이온-이온
이온-쌍극자
쌍극자-쌍극자
쌍극자-유발쌍극자
유발쌍극자-유발쌍극자
수소결합

고체의 세계로
금속 결합 – 고전적 이해 (폴 드루드의 아이디어)
결정 구조
밴드 이론(Band Theory)
금속 결합 –현대적 이해
결정 구조(Crystal Structure)
각 결정계의 단위 세포 구조
결정계(Crystal System)란?
결정 구조들, 총 7개
3차원에서 기하학적으로
가능한 계
결정계(Crystal System)
밴드 이론(Band Theory)
금속 결합 –현대적 이해
결정(Crystal)이란?
분자, 원자 혹은 이온이 일정한 규칙성을 가지고 배열된 고체 상태

결정 격자(Crystal Lattice)란?
결정 내에서 동일한 환경을 가진 점들의 3차원 배열구조(패턴)

단위 세포(Unit Cell)란?
3차원 구조에서 이 패턴이 반복되는 기본 단위
단위 세포(Unit Cell)
탐구할 문제 : 세상에 존재하는 모든 고체는 결정 구조를 가질까?
그렇지 않은 예를 찾아보고 어떤 구조를 갖는지 알아보자.
대표적인 예
수정 vs 유리
물리적 특성? (녹는점, 밀도, 강도 등)
광학 특성?
화학적 특성?
결정 vs. 비결정
고체 벤젠의 결정 구조
얼음의 결정 구조
분자성 결정의 특징

구성 분자들의 분자 간 인력으로 구형 격자 구조를 이루고 있음
녹는점이 낮고 그 값은 분자 간 인력에 따라 결정됨
수소 결합이 관여하는 경우 상대적으로 높은 녹는점을 가짐
예 : 얼음, 대부분의 고체 유기화합물, 단백질 등
분자성 결정
탄화규소의 결정 구조
다이아몬드의 결정 구조
공유성 결정의 특징

구성 원자들이 결정 전체에 걸쳐 공유 결합으로 연결되어 있어서 하나의 큰 분자로 볼 수 있음
녹는점이 매우 높음, 녹기보다는 주로 열분해가 일어남
기계적 물성이 매우 우수함, 전기 부도체
예 : 다이아몬드, 탄화규소, 수정
공유성 결정
X-ray Crystallography
-. 브래그의 법칙
-. 결정 격자 간 거리 계산






결정성 고체의 분류
-. 고체 구조의 구분
-. 금속성, 비금속성 구분
-. 결정성 고체의 화학 결합 이해

WHAT WE CAN
고체 상태의 이해
-. 결정과 비결정

결정 구조의 이해
-. 단위 세포(Unit Cell)
-. 결정 구조 분석
-. 결정 구조의 종류

결정성 고체의 분류
-. 공유성 결정
-. 분자성 결정
-. 금속성 결정
-. 이온성 결정

WHAT TO KNOW
UNIT 2
실리콘

구리



금속성 결정의 특징

구성 원자들이 금속 결합으로 연결되어 있음
자유 전자가 존재하여 전기 전도도가 높음
연성(늘어짐)과 전성(펴짐)이 우수함
예 : 알칼리 금속, 전이 금속, 알루미늄, 실리콘, 납, 주석 등 준금속
금속성 결정
고체
이온성 결정
염화세슘 구조(Cesium Chloride Structure)

양이온이 상대적으로 큰 1:1 이온화합물에서 나타남
어느 한 이온을 단순 입방자리에 놓고 다른 이온을 중심에 위치시키면 된다.
이온성 결정
섬아연 구조(Zinc-Blende(ZnS) Structure)

양이온이 상대적으로 작은 1:1 이온화합물에서 나타남
어느 한 이온(주로 음이온)을 면심입방 자리에 놓고 다른 이온을 사면체 구멍 중 절반에 위치시키면 된다.
이온성 결정
암염 구조(Rock Salt(NaCl) Structure)

1:1 이온화합물에서 가장 빈번하게 나타남
어느 한 이온(주로 음이온)을 면심입방 자리에 놓고
다른 이온을 팔면체 구멍에 위치시키면 된다.
이온성 결정
보다 세밀한 분류-Bravais 격자계
입방정계(cubic system)
X선 분석(X-ray Crystallography)
반사(reflection)는 일정한 방향으로 나아가던 파동이 서로 다른 매질의 경계면에서 왔던 매질 쪽으로 방향을 바꾸는 현상이다.

굴절(refraction)은 파동이 속도 변화에 의해 진행 방향을 바꾸는 현상이다.

회절(diffraction)은 작은 장애물 주변에서 파동이 확연하게 휘거나 열린 틈을 지난 파동이 주위로 퍼져 나가는 것을 말한다.

산란(scattering) 은 파동이 불균일한 매질로 말미암아 일반적인 경로를 벗어나는 현상을 가리킨다.
회절
회절 vs 산란??
X선 회절

why X-ray??
라우에(X-선 회절이론)
브래그(결정에 의한 X-선 회절)
X-ray
브래그의 법칙
𝑛𝜆=2𝑑 sin⁡𝜃
X-선 회절을 통해서 밝힌
최초의 단백질 구조
입방정계(cubic system)
(n)
(2r)
(r)
(APF)
APF=원자가 실제 차지하는 부피/전체 격자의 부피
단순입방구조 체심입방구조 면심입방구조
(CN)
결정의 종류
공유성 결정

분자성 결정

금속성 결정

이온성 결정
금속성 결정
양이온이 자유전자의 바다에 빠져 있는 상태
금속성 결정
금속성 결정
그렇다면 금속과 비금속을 나누는 기준은 무엇일까?
이온성 결정
섬아연구조

암염구조

염화세슘구조
H의 특성!!!
파울리 배타원리
동일
유리가 더 나음: 등방성 왜??
균일 vs 불균일
X-선 결정학을 이용하여 아보가드로수 측정
band gap이 붙어 있는지 떨어져 있는지
Semiconductor
온도 오를수록 전도도 커진다. 금속은? (원자진동-경로방해)
동일한 구들의 밀집 충진(Close Packing): 결정의 일반적 양상
금속 결정 구조(Crystal Structure)
위 그림의 d
위 그림의 c
HgTe처럼 큰 전하량 가진 이온성 결정은
크기가 거의 비슷함에도 불구하고,
적은 배위수로도 안정---섬아연구조 선호
Octahedral
tetrahedral
cubic
고체
고체 상태의 이해
-. 결정과 비결정

결정 구조의 이해
-. 단위 세포(Unit Cell)
-. 결정 구조 분석
-. 결정 구조의 종류

결정성 고체의 분류
-. 공유성 결정
-. 분자성 결정
-. 금속성 결정
-. 이온성 결정
이제 액체로
- 수심 4km, 40Mpa의 압력에서 단지 1.8%의 부피 감소 안정한 구조
강한 수소결합 ⇒ 낮은 compressibility, 높은 녹는점, 높은 끓는점, 높은 기화열
액체-물
한 개체의 관점에서 볼 때
이론적으로 4개의 수소 결합 가능

얼음: 4개
물: (0 C: 3.69개, 100 C: 3.24개)
선형 비대칭 결합
수소결합
액체-물
액체: short-range order
고체: long-range order
액체 vs. 고체
Adhesive force(접착력)과 Cohesive force(응집력)사이의 불균형
⇒ 모세관현상
Cohesive force: 물 사이에 작용하는 힘
Adhesive force: 물과 유리 사이의 힘
Cohesion vs Adhesion
모세관 현상
액체-물
생체 내 이온의 수화
단백질 기능 유지
DNA구조 유지
수화-생체 내 핵심작용
액체-물
분자움직임
분자간 힘

탐구할 문제 : 액체란 무엇인가?
고체와 액체를 질적으로 구분할 수 있는가?
액체 vs. 고체
물을 둘러싼 현상들에 대한 분석

-. 밀도
-. 낮은 compressibility
-. 녹는점, 끓는점, 기화열
-. 수화
-. 점도와 표면장력
-. 모세관현상
WHAT WE CAN
액체 vs 고체
-. Order의 차이

물에 대한 이해
-. 수소결합
-. 얼음 vs 물

점도와 표면장력
-. 물 vs 글리세롤
WHAT TO KNOW
글리세롤
-분산력의 부재
-물의 경우 수소결합의 재생 속도가 빠르다.
물의 점도가 글리세롤의 점도보다 낮은 이유는?
(분자 사이의 힘만으로는 설명이 되지 않는다.)
액체의 유동성에 미치는 factors

-분자 사이의 힘
-힘의 재생 속도
점도:액체의 유동성에 대한 저항
액체-물
결국 물 분자 사이의 힘에 의해 좌우
⇒ 높은 온도→낮은 표면장력
표면 물 분자 사이의 tension-표면장력
표면에서의 힘의 공백
표면장력
액체-물
결합수 감소(4→3.5)
hexagonal→사면체
⇒밀도 증가

얼음
얼음: hexagonal 격자
얼음 vs 물
액체-물
Unit 4
액체
움직임을 가진 형체
왜 4도씨에서 가장 밀도가 클까?
온도감소--부피감소 경향 (입자 운동에너지)
고체식 정렬 시작--부피 증가 경향
두 경향의 절충-4도씨 최대
Methane vs Methanol
Methanol vs Ethanol
Alcohol vs Water
액체
고체와 액체

물의 특성

표면장력
점도
모세관현상
기체 분압의 법칙, Dalton’s Law
Volume
카오스(반 헬몬트)에서 Gas
WHAT TO KNOW
Kinetic Theory of Gases
‒. 가정 (Assumption)
‒. 평균 운동 에너지와 온도 T
‒. Maxwell-Boltzmann distribution of speed

Diffusion and Effusion
‒. Graham’s Law

Real Gases
‒. Compression factor, Z
‒. Van der Waals Equation


Gas
‒. Pressure
. Volume

The Gas Laws of
‒. Boyle
‒. Charles
‒. Gay-Lussac
‒. Avogadro

The Ideal Gas Law
‒. PV = nRT
‒. Gas constant, R
‒. Partial pressure, Dalton’s law

The Origin of Temperature Units
oF (Fahrenheit Temperature, 1724)
‒. Daniel Gabriel Fahrenheit (German Physicist, 1686 – 1736)
‒. 32oF: freezing point of water; 212oF: boiling point of water
(difference: 180o)
‒. 0oF: 냉각제의 온도; 100oF: 사람의 체온
‒. Fahrenheit, (화륜해)


oC (Celcius Temperature, 1742)
‒. Anders Celcius (Swedish astronomer, 1701 – 1744)
‒. 0oC: freezing point of water; 100oC: boiling point of water
(difference: 100o)
‒. Celcius, (섭이사)


K (Absolute Temperature, 1848)
‒. Kelvin, Lord William Thomson (British, 1824 – 1907)
‒. 0 K: absolute zero temperature (at which all thermal motion ceases
in the classical thermodynamics)
‒. 273.15 K: triple point of water
Evangelista Torricelli
(ITA, 1608-1647)
Pressure

Assumption
Kinetic Theory of Gases

1. A gas consists of a collection of molecules in continuous random motion.
2. Gas molecules are infinitesimally small (mass) points.
3. The molecules move in straight lines until they collide.
4. The molecules do not influence one another except during collisions.
5. The molecules implement perfectly elastic collision.
Equal volumes of gas contain equal number of molecules.
At the constant P and T,
아보가드로의 법칙 (1811)
Pressure
(Charles’s Law)
샤를의 법칙 (1780)
Equation of state

Limiting law for real gases as P  0

Universal gas constant, R

R = 8.314 J·K–1·mol–1
= 8.206 x 10–2 L·atm·K–1·mol–1
PV = nRT
이상 기체 법칙
보일의 법칙 (1662)
‒ Experiments on the compression and expansion of air
“The spring of the Air and Its Effects” (1661)

‒ Boyle’s J-tube experiment
기체
산소---이산화탄소---공기---수증기
하늘이 파란 이유는?
기체
기체
9.80665
기체
부피와 압력의 관계는?
기체
화씨
섭씨
온도
기체
기체
절대온도 0도의 의미
부피가 0이 되는 온도, 압력이 0이 되는 온도, 움직임이 멈추는 온도
모든 기체에 대해 같은 값
퀴즈: 절대온도를 불확정성의 관점에서 해석
기체
게이 뤼삭의 기여(법칙) (1802년)
기체
3 H2 (g) + 1 N2 (g) → 2 NH3 (g)
The ratio b/w the volumes of the reactant gases and the products
can be expressed in simple integers.
The law of combining volumes states that,
when gases react together to form other gases at the fixed P and T,
게이-뤼삭의 법칙 (1808)
기체
기체 반응의 법칙
돌턴의 원자론과 상치
로슈미트-볼츠만-아인슈타인-패렝
이상기체 상태방정식
기체
이상기체란?
기체
기체
V 0, m 0
곡선이 없는
인력 또는 반발력이 없는
탄성충돌이란?
충돌전 운동량
충돌후 운동량
충돌후-충돌전
델타 t의 시간 동안
Vx의 속도로 움직인 거리
기체
기체분자운동론
다가올 확률=1/2
실제 압력은 평균값
25도씨에서 수소의 제곱평균근 속도는?
Gases are made up of molecules which are in constant random motion in straight lines.

The molecules behave as rigid spheres.

Pressure is due to collisions between the molecules and the walls of the container.

All collisions, both between the molecules themselves, and between the molecules and the walls of the container, are perfectly elastic. (That means that there is no loss of kinetic energy during the collision.)

The temperature of the gas is proportional to the average kinetic energy of the molecules.

There are no (or entirely negligible) intermolecular forces between the gas molecules.

The volume occupied by the molecules themselves is entirely negligible relative to the volume of the container.
R = 8.314 J·K–1·mol–1

속도의 분포는 분자량과 온도의 함수
극대
앞 식에서 유도
확산과 유출
Graham의 법칙이 확산에 잘 들어 맞지 않는 이유는?
Graham의 법칙을 유도하기 위해 필요한 사전 지식은?
이 법칙을 유도해보자.
-일반적으로 압력이 커질수록 온도가 낮을수록 Z값은 커진다.
1몰의 부피
-압력이 낮을 때는 반발력이 거의 없고 인력만 유의미하다.
Z가 1보다 작다. 실제기체의 몰부피가 이상기체의 몰부피보다 작다.
-압력이 높을수록 반발력이 커진다.
Z가 1보다 크다. 즉 실제 기체의 부피가 이상기체의 부피보다 크다.
분자간의 힘
분자의 종류에 따라
차이가 나는 이유?
수소
CH4, C2H5, NH3
분자 두 개 사이의 작용
실제기체의 압력은 이상기체의 압력보다 작다. 인력이 작용하여 용기에 부딪치는 정도와 세기가 감소한다.
실제 기체의 부피는 이상기체의 부피보다 크다.
b=4VN
A
Z=1이 될 때의 온도
반 데르 발스 방정식을 통하여 Z값을 구하고
Z값의 정성적 의미를 해석하라
V=분자 한 개의 부피
기체
기체의 법칙들

기체 분자운동론

이상기체 vs 실제기체

상 사이의 전환
Phase vs State
몇 개의 phase?
a form of matter that is uniform throughout in chemical composition and physical state.
CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g)
주어진 온도에서 증기압의 차이를 해석하라.
증기압=대기압
어는 점보다 낮은 온도에서
액체 상태 유지
고체 결정 형성에 필요한 핵이 없을 때
끓는 점보다 높은 온도에서
액체 상태 유지
표면 장력
상 사이의 전환
상 사이의 전환
이유?
상 사이의 전환
상 사이의 전환
이유?
상 사이의 전환
같은 온도에서 압력이 올라가면 고체에서 액체로
---액체의 밀도가 고체의 밀도보다 크다
같은 온도에서 압력이 올라가면 액체에서 고체로
---고체의 밀도가 액체의 밀도보다 크다
nbp: normal boiling point
nmp: normal melting point
sp: sublimation point
증기의 밀도=물의 밀도
상 사이의 전환
상 사이의 전환
상 사이의 전환
물질 전체에 걸쳐 화학적 조성과 물리적 상태가 균일
무극성 분자
CH4 vs CCl4 vs CBr4
C5H12
같은 전자수
전기음성도, 결합수
a
1700 vs 1200-1500
분자, 원자, 이온이 규칙적으로 배열된 미시구조
insulator
배위수:4
배위수:6
ccp를 띄는 세가지 구조
물과 유리
수은과 유리

석양
진공
충돌의 문제
1기압
2기압
3기압
특정 온도, 압력에서
몰부피는 모든 기체에서
동일한 상수
인력, 반발력 무시
기체분자의 부피 무시
완전 탄성
구형
직선 / 임의 / 상시 운동
수소기체는 분자간 인력이
아주 작아서
모든 압력대에서
Z값이 1보다 크다.
(즉 반발 효과만 고려)
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