반데르발스 힘

 

Van der Waals` force

 

 기체, 액화 또는 승화된 기체, 그리고 대부분의 유기화합물의 액체와  고체 등에서 중성인

분자들을 서로 끌어당기는 상대적으로 약한 전기력을 말하며 이 힘은 1873년 이상 기체가

아닌 실제 기체들의 특성을 설명하는 이론을 개발할 때 이같은 분자간(分子間) 힘을 처음

으로 가정했던 네덜란드 물리학자 요하네스 반 데르 발스의 이름을 따서 반데르발스 힘이

라 부른다.

 

반데르발스 인력의 특징

 

반데르발스 힘으로 결합된 고체들은 보다 강한 이온결합·공유결합·금속 결합으로 이루어진 고체들보다 부드럽고 더 낮은 온도에서 녹는 다.

 

 

반데르발스 인력의 원인

 

 3가지 근원에서 생길 수 있다.

 

첫째, 몇 가지 물질들의 분자들은 비록 전기적으로 중성이 라고 하더라도 영구 전기 쌍극자가 될 수 있다. 일부 분자들은 전하의 분포가 균일하지 않고 편중된 채 고정되어 있는 구조를 갖고 있기 때문에 분자의 어느 한 쪽은 항상 약간의 양전하를, 반대쪽은 항상 약간의 음전하를 띤다. 이 영구 쌍극자들이 서로 같은 방향으로 정렬하려는 경향 때문에 순인력(純引力)이 생긴다.

 

둘째, 영구 쌍극자인 분자들의 존재는 가까이 있는 다른 극성(極性) 분자 또는 무극성(無極性) 분자들의 전하 분포를 일시적으로 변형시켜서 보다 큰 편극 현상을 유도한다. 영구 쌍극자와 주변의 유도된 쌍극자의 상호작용으로부터 또 다른 인력(引力)이 생기게 된다.

 

셋째, 심지어 영구 쌍극자인 분자가 하나도 없더라도(예를 들면 비활성기체인 아르곤이나 유기화합물의 액체인 벤젠의 경우) 분자들간에 인력이 존재할 수 있는데, 이는 충분히 낮은 온도에서 액체 상태로 응축되는 것을 설명해 준다. 분자들 사이에 존재하는 인력의 본질을 정확히 기술하기 위해서는 양자역학이 필요한데, 폴란드 태생 물리학자 프리츠 볼프강 론돈이 분자 내의 전자들의 운동을 조사하다가 1930년 처음으로 이를 밝혀 냈다. 론돈은 어떤 순간에 전자들의 음전하의 중심과 원자핵의 양전하의 중심이 일치하지 않기가 쉽다고 지적했다. 그 결과 전자들의 요동은 분자를 시간에 따라 변하는 쌍극자가 되도록 만들어 주는데, 이 순간적인 편극을 거시적 주기에 걸쳐서 평균하면 0이 된다. 따라서 시간에 따라 변하는 쌍극자, 즉 순간적인 쌍극자들은 금방 방향이 바뀌는 등 계속 달라지므로 실제로 존재하는 인력을 설명할 수 있는 형태로 정렬할 수는 없다. 그러나 이들은 인접한 분자들에 적절하게 정렬된 편극을 유도해 결국 인력을 유발시킨다. 분자 내에서 전자들의 요동으로 인해 일어나는 이런 특정한 상호작용, 즉 힘들(론돈 힘 또는 분산력이라고 알려져 있음)은 심지어 영구적인 극성 분자들사이에도 존재하며, 보통은 반 데르 발스 힘에 기여하는 3가지 요소들 중 가장 큰 부분을 이룬다.

 

 

반데르발스 인력의 종류

 

1. 수소 결합 : 플루오르, 산소, 질소처럼 전기 음성도가 크고 비공유 전자쌍을 가진 원자가 수소와 공유결합을 하고 있을 때, 부분 양전하를 가진 수소와 다른 분자 중의 전하를 가진 원자 사이에 작용하는 인력을 말한다. 대표적인 물질은 HF(플루오르화 수소), CH3COOH(에테르산. =식초), H2O(물)이며, 이외의 모든 물질은 이중 극자의 힘을 지닌다.

2. 편극 : 한 분자가 극성 분자에 접근할 때, 그 분자의 전자들이 극성 분자의 전자들이 극성 분자의 (+)전하가 있는 쪽으로 치우치는 현상으로 전자 수가 많을수록 편극이 일어나는 정도가 크다.

3. 유발 쌍극자 : 편극이 일어나면 전자가 치우친 쪽이 일시적으로 전하를 띠게 되는데 이렇게 생긴 쌍극자를 유발 쌍극자라 한다.

4. 분산력 : 무극성 분자가 가진 전자는 늘 고정된 위치에 있는 것이 아니다. 따라서 순간적으로 전자가 어느 한쪽으로 치우치게 되면 분자가 순간적으로 극성을 띠게 되어 유발 쌍극자를 가지게 되는데 이들 유발 쌍극자를 가진 분자 사이에 작용하는 힘이 분산력이다. 한 가지 추가하자면, 분산력은 모든 분자 사이에 작용하지만, 무극성 분자가 아닌 다른 분자간에 물질의 성질에 미치는 영향이 매우 작다. 그러나 무극성 분자 사이에는 분산력만 작용하므로 무극성 분자의 성질은 분산력에 의해 큰 영향을 받는다.

 

 

 

 

반데르발스 힘

van der Waals forces

기체, 액화 또는 승화된 기체, 그리고 대부분의 유기화합물의 액체와 고체 등에서 중성인 분자들을 서로 끌어당기는 상대적으로 약한 전기력.

이 힘은 1873년 이상기체가 아닌 실제 기체들의 특성을 설명하는 이론을 개발할 때 이같은 분자간(分子間) 힘을 처음으로 가정했던 네덜란드 물리학자 요하네스 반 데르 발스의 이름을 따서 반데르발스 힘이라 부른다. 반데르발스 힘으로 결합된 고체들은 보다 강한 이온결합·공유결합·금속결합으로 이루어진 고체들보다 부드럽고 더 낮은 온도에서 녹는 특징을 가졌다.

반데르발스 힘은 3가지 근원에서 생길 수 있다. 첫째, 몇 가지 물질들의 분자들은 비록 전기적으로 중성이라고 하더라도 영구전기쌍극자가 될 수 있다. 일부 분자들은 전하의 분포가 균일하지 않고 편중된 채 고정되어 있는 구조를 갖고 있기 때문에 분자의 어느 한 쪽은 항상 약간의 양전하를, 반대쪽은 항상 약간의 음전하를 띤다. 이 영구쌍극자들이 서로 같은 방향으로 정렬하려는 경향 때문에 순인력(純引力)이 생긴다. 둘째, 영구쌍극자인 분자들의 존재는 가까이 있는 다른 극성(極性) 분자 또는 무극성(無極性) 분자들의 전하분포를 일시적으로 변형시켜서 보다 큰 편극현상을 유도한다. 영구쌍극자와 주변의 유도된 쌍극자의 상호작용으로부터 또다른 인력(引力)이 생기게 된다. 셋째, 심지어 영구쌍극자인 분자가 하나도 없더라도(예를 들면 비활성기체인 아르곤이나 유기화합물의 액체인 벤젠의 경우) 분자들간에 인력이 존재할 수 있는데, 이는 충분히 낮은 온도에서 액체 상태로 응축되는 것을 설명해준다.

분자들 사이에 존재하는 인력의 본질을 정확히 기술하기 위해서는 양자역학이 필요한데, 폴란드 태생 물리학자 프리츠 볼프강 론돈이 분자 내의 전자들의 운동을 조사하다가 1930년 처음으로 이를 밝혀냈다. 론돈은 어떤 순간에 전자들의 음전하의 중심과 원자핵의 양전하의 중심이 일치하지 않기가 쉽다고 지적했다. 그결과 전자들의 요동은 분자를 시간에 따라 변하는 쌍극자가 되도록 만들어주는데, 이 순간적인 편극을 거시적 주기에 걸쳐서 평균하면 0이 된다. 따라서 시간에 따라 변하는 쌍극자, 즉 순간적인 쌍극자들은 금방 방향이 바뀌는 등 계속 달라지므로 실제로 존재하는 인력을 설명할 수 있는 형태로 정렬할 수는 없다. 그러나 이들은 인접한 분자들에 적절하게 정렬된 편극을 유도해 결국 인력을 유발시킨다. 분자 내에서 전자들의 요동으로 인해 일어나는 이런 특정한 상호작용, 즉 힘들(론돈 힘 또는 분산력이라고 알려져 있음)은 심지어 영구적인 극성분자들 사이에도 존재하며, 보통은 반데르발스 힘에 기여하는 3가지 요소들 중 가장 큰 부분을 이룬다.