반데르발스 힘은 어느 정도의 세기를 가지고 있나요?

Question

안녕하세요. 모든 분자가 가지고 있는 상호작용에 해당하는 반데르발스 힘은 어느 정도의 세기를 가지고 있는지 궁금합니다. 또한 이온과 같은 극성을 띠지 않는 화합물인 경우에는 이 힘이 가장 중요한 영향을 가지고 있을 것 같은데 어떤 예시가 있을까요?

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

결합은 크기별로 반데르발스힘, 공유결합, 이온결합으로 구분 됩니다.

반데르발스 포스의 경우는 분자간의 힘이고 이온결합/공유결합은 원자간의 결합이라 힘의 차이가 발생하는건 당연합니다.

이를 이론적으로 구분할때 결합을 끊는데 필요한 에너지를 사용하여 크기를 나눕니다.

이온결합은 400~4000 kj/mol 이고 공유결합은 200~800 kj/mol 이며 반데르발스힘은 0.1~10 kj/mol 로 그 크기를 가늠할 수 있습니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)

Answer 2

안녕하세요.

반데르발스 힘은 개별 분자 또는 원자 쌍 사이에서 작용할 때 결합 에너지 기준으로 대략 0.1~10 kJ/mol 정도의 힘에 해당하며, 말씀해주신 것처럼 항상 존재하지만 각각의 힘의 세기는 매우 약합니다. 보통 가장 강력하다고 알려진 공유결합이 200~400 kJ/mol 이상인 것을 고려해보면, 단일 반데르발스 상호작용은 공유결합의 수십~수백 분의 1 수준에 불과합니다. 이때 반데르발스 힘은 모든 원자나 모든 분자 사이에 항상 작용하며, 거리만 충분히 가까우면 반드시 생긴다는 점이 중요합니다. 이 힘이 생기는 원리는 순간적으로 전자가 한쪽으로 쏠리기 때문에 나타나는 것입니다. 즉 원래 비극성 분자라고 하더라도 전자는 항상 움직이고 있기 때문에, 아주 짧은 순간 한쪽으로 치우친 전하 분포가 생깁니다. 이 순간적인 쌍극자가 이웃 분자의 전자 분포를 다시 왜곡시키면서, 서로 끌어당기는 힘이 발생하며 이것이 흔히 말하는 분산력이며, 반데르발스 힘의 가장 보편적인 형태라고 보시면 됩니다.

그리고 질문해주신 것처럼 비극성 분자나 비극성 고체에서는 반데르발스 힘이 사실상 유일한 응집력이라고 볼 수 있습니다. 예를 들어 헬륨, 네온 같은 18족에 해당하는 비활성 기체들은 모두 비극성이고 화학적으로 거의 반응하지 않습니다. 이들이 극저온에서만 액체가 되는 이유는, 오직 반데르발스 힘만으로 서로를 붙잡고 있기 때문인데요 분자량이 커질수록 가지고 있는 전자 수가 많아지기 때문에 전자 구름이 더 쉽게 변형되며 반데르발스 힘이 강해지고, 그 결과 끓는점도 올라갑니다. 같은 비극성 분자인 메탄 → 에탄 → 프로판 → 부탄 순으로 끓는점이 올라가는 이유가 바로 여기에서 찾아볼 수 있습니다. 감사합니다.