안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
반데르발스 힘은 분자들 사이를 서로 끌어당겨 한데 모으는 일종의 '미세한 접착제'와 같은 역할을 합니다. 비록 개별적인 힘은 매우 약하지만, 무수히 많은 분자가 모인 거시적인 세계에서는 물질이 어떤 상태로 존재할지를 결정하는 결정적인 요인이 됩니다.
가장 대표적인 예시는 분자의 크기에 따른 끓는점의 변화입니다. 헬륨, 네온, 아르곤 같은 비활성 기체나 메탄, 에탄 같은 탄화수소 화합물을 살펴보면, 분자의 덩치가 커지고 전자의 수가 많아질수록 끓는점이 높아지는 것을 알 수 있습니다. 이는 분자가 커질수록 전자가 한쪽으로 치우치는 현상이 더 잘 일어나 반데르발스 힘이 강해지기 때문입니다. 힘이 강할수록 분자들을 떼어내 기체로 만들기 위해 더 많은 열에너지가 필요하므로 끓는점이 상승하게 됩니다.
또한, 분자의 모양에 따라서도 물질의 응집력과 물리적 성질이 달라집니다. 같은 수의 원자로 이루어진 분자라도 구조가 길쭉한 형태라면 구형인 형태보다 분자 간 접촉 면적이 넓어집니다. 접촉 면적이 넓을수록 반데르발스 힘이 작용할 수 있는 지점이 많아져 응집력이 강해지고, 이는 곧 더 높은 끓는점과 점도로 나타납니다.
고체의 결정 구조를 형성하는 데에도 이 힘은 핵심적입니다. 드라이아이스나 요오드 같은 분자 결정은 강한 화학 결합이 아닌 오직 약한 반데르발스 힘에 의해서만 구조가 유지됩니다. 이 때문에 이들은 실온에서 쉽게 기체로 승화하거나 물리적인 충격에 쉽게 부서지는 특징을 보입니다. 결국 우리가 주변에서 보는 물질들의 단단함이나 끓는 온도, 액체의 끈적임 등은 눈에 보이지 않는 미세한 전자의 흔들림이 만들어낸 반데르발스 힘의 크기에 따라 설계된 결과물이라고 할 수 있습니다.