17족 할로젠 원소들이 상온에서 존재하는 형태가 다른 것은 그 이유가 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 17족 원소 중에서 F2와 Cl2는 상온에서 기체 상태로 존재하고, Br2는 액체 상태, I2는 고체 상태로 존재하는데요, 17족 할로젠 원소들이 상온에서 존재하는 형태가 다른 것은 그 이유가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 17족 할로젠 원소들은 모두 이원자 분자(F₂, Cl₂, Br₂, I₂)로 존재하지만, 상온에서 각각 기체, 액체, 고체로 다른 물리적 상태를 보이는데요 이러한 차이는 분자 간 작용하는 분자 간 인력 중에서도 반데르발스 힘, 즉 London 분산력의 크기가 원소의 크기와 전자 수에 따라 달라지기 때문입니다.

할로젠 분자는 모두 비극성 공유 결합 분자이므로 분자 간 결합력이 강한 쌍극자-쌍극자 힘이 아니라, 순간적인 전하 분포의 불균형에 의해 발생하는 London 분산력이 주된 인력이 되는데요, 우선 F₂(플루오린), Cl₂(염소)와 같은 경우에는 상대적으로 작은 분자이고 전자 수가 적어 분산력이 매우 약하기 때문에 분자 간 인력이 거의 작용하지 않기 때문에 따라서 상온에서 쉽게 기체 상태로 존재합니다. 다음으로 Br₂(브로민)는 전자 수가 늘어나고 원자 크기가 커져서 분산력이 커지므로 분자 간 인력이 상대적으로 강해지며 이로 인해 상온에서 액체로 존재합니다. 마지막으로 I₂(아이오딘)은 가장 큰 원자 반지름과 전자 수를 가져 분산력이 매우 강하므로 분자들이 서로 강하게 끌어당겨 단단한 결정 구조를 형성하고, 상온에서는 고체로 존재하게 되는 것입니다. 감사합니다.