분자 구조와 물질의 성질

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물(\(\text{H}_2\text{O}\))의 분자량은 18로, 질소(28)나 산소(32)보다 가볍다. 그런데 질소와 산소는 −190 °C 근처에서 끓고, 물은 100 °C에서야 끓는다. 같은 16족 원소의 수소 화합물인 황화 수소(\(\text{H}_2\text{S}\))도 −60 °C에서 끓는다. 물만 유난히 끓기 어려운 까닭은 무엇일까?

강조할 족

그림 1. 수소 화합물의 끓는점은 대체로 분자가 클수록(아래 주기일수록) 높다. 그런데 2주기의 \(\text{H}_2\text{O}\), HF, \(\text{NH}_3\)는 이 경향에서 크게 벗어나 높이 솟아 있다.

먼저 알아야 할 것전기 음성도와 극성(결합의 극성), 분자의 모양(루이스 구조와 분자 모양), 밀도.

2.4.1분자 사이의 힘

물이 끓을 때 끊어지는 것은 분자 안의 O-H 결합이 아니라 분자와 분자 사이의 인력이다. 이 인력이 셀수록 분자를 떼어 놓는 데 많은 에너지가 들어 끓는점이 높다. 분자 사이의 인력에는 세 가지가 있다.

모든 분자 사이에는 전자 분포가 순간적으로 치우쳐 생기는 약한 인력, 곧 분산력이 있다. 분자가 클수록 전자가 많아 분산력이 커지므로, 그림 1에서 아래 주기로 갈수록 끓는점이 올라간다. 극성 분자 사이에는 \(\delta^+\)와 \(\delta^-\)가 끌어당기는 쌍극자-쌍극자 힘이 더해진다. 그리고 특별히 강한 세 번째 힘이 수소 결합이다.

정의 2.4.1 수소 결합

전기 음성도가 매우 큰 F, O, N에 결합한 수소 원자가 이웃 분자의 F, O, N의 비공유 전자쌍과 끌어당기는 강한 인력을 수소 결합이라 한다. 공유 결합보다는 훨씬 약하지만 다른 분자 사이의 힘보다는 강하다.

F, O, N은 작고 전기 음성도가 커서 결합한 수소의 전자를 강하게 끌어간다. 그래서 수소는 거의 맨 원자핵처럼 드러나 이웃 분자의 비공유 전자쌍에 바짝 다가간다. 그림 1에서 2주기 화합물만 경향에서 벗어나는 것이 수소 결합의 흔적이다.¹

2.4.2얼음은 왜 물에 뜰까

물 분자 하나는 수소 2개와 비공유 전자쌍 2개로 이웃 분자 4개와 수소 결합을 할 수 있다. 얼음이 되면 모든 분자가 이 4개의 수소 결합을 정사면체 방향으로 맺어, 육각형 구멍이 많은 규칙적인 구조를 이룬다. 그래서 얼음은 같은 질량의 물보다 부피가 약 9% 커지고 밀도가 작아 물에 뜬다.

그림 2. 한 물 분자의 수소(작은 원)가 이웃 물 분자의 산소에 끌린다. 이 수소 결합이 분자들을 서로 붙들어 끓는점을 높인다.

기름과 물이 섞이지 않는 것도 분자 사이의 힘으로 설명된다. 물 분자들은 서로 수소 결합으로 강하게 붙들고 있어, 무극성인 기름 분자가 끼어들면 그 결합이 끊어지기만 하고 보상이 없다. 그래서 극성 물질은 극성 물질에, 무극성 물질은 무극성 물질에 잘 녹는다.

2.4.3예제 풀이

예제 2.4.2

16족 수소 화합물의 끓는점은 \(\text{H}_2\text{S}\) −60 °C, \(\text{H}_2\text{Se}\) −41 °C, \(\text{H}_2\text{Te}\) −2 °C이다. 이 경향을 그대로 2주기로 늘리면 \(\text{H}_2\text{O}\)의 끓는점은 대략 몇 °C로 예상되는가? 실제 값과의 차이는 무엇 때문인가?

3주기에서 5주기로 가며 끓는점이 −60, −41, −2 °C로 오른다. 거꾸로 2주기로 가면 −60 °C보다 낮아져 대략 −80 °C 안팎이 예상된다.

실제 물의 끓는점은 100 °C이므로 예상보다 180 °C쯤 높다. 이 차이는 \(\text{H}_2\text{S}\)에는 거의 없고 물에는 있는 수소 결합 때문이다. 물이 끓는점이 높아 지구 온도에서 액체로 머물 수 있기에, 바다가 있고 생명이 살 수 있다. 아래 탐구 카드에서 물의 끓는점, 얼음의 밀도, 물과 기름의 섞임을 직접 따져 보자.

DNA의 두 가닥을 이어 이중 나선을 만드는 것도 염기 사이의 수소 결합이다. 수소 결합은 체온 정도의 열로 끊었다 다시 이을 수 있을 만큼의 세기여서 유전 정보를 복제하기에 알맞다.

마무리

끓는점은 분자 사이의 힘이 정하며, 분산력과 쌍극자 힘 외에 F, O, N에 붙은 수소가 만드는 강한 수소 결합이 있다. 물은 굽은 극성 분자로 이웃 분자와 수소 결합을 하여 끓는점이 높고, 얼면 빈틈이 많은 구조를 이룬다. 그래서 처음 질문의 물은 가벼운 분자인데도 수소 결합을 끊어야 끓으므로 100 °C나 되어야 끓는다.

탐구 1

물의 끓는점은 왜 100 °C나 될까?

수소 결합 · 분자 사이의 힘 · 실측 자료

고른 물질: —
추세로 어림한 2주기: —
실제 − 어림: —

끓는점은 1 atm 실측값이다. 그래프의 점을 누르면 그 물질을 고른다. 어림값은 3~5주기 세 점을 직선으로 이어 늘린 것이라 대략의 값이다.

질문H₂S는 −60 °C, H₂Se는 −41 °C, H₂Te는 −2 °C에서 끓는다. 같은 16족인 H₂O는 분자가 가장 가벼우니 가장 낮은 온도에서 끓어야 할 것 같은데, 실제로는 100 °C이다. 왜일까?
복원액체가 끓으려면 분자들을 서로 떼어 놓아야 하므로, 분자 사이의 힘이 셀수록 끓는점이 높다. 그리고 비슷한 종류의 분자라면 분자가 크고 무거울수록 분자 사이의 힘(분산력)이 커진다.
설명그런데 F, O, N처럼 전기 음성도가 크고 작은 원자에 수소가 붙으면, 수소는 강한 δ+를 띠고 이웃 분자의 F, O, N의 비공유 전자쌍에 끌린다. 이 분자 사이의 인력을 수소 결합이라고 한다. 다른 분자 사이의 힘보다 훨씬 세서, 떼어 내는 데 에너지가 더 든다.
연결물 분자는 비공유 전자쌍 2개와 H 2개를 가진 굽은 극성 분자라서, 한 분자가 이웃과 최대 4개의 수소 결합을 맺을 수 있다. 그래서 HF와 NH₃보다 물의 끓는점이 더 높다.
적용족을 바꿔 가며 2주기 화합물이 추세선에서 얼마나 벗어나는지 비교해 보자. 14족 CH₄가 추세선보다 오히려 아래에 있는 까닭도 생각해 보자. 탄소는 전기 음성도가 2.55로 수소(2.20)와 차이가 작다.
판단수소 결합은 이름과 달리 분자 안의 공유 결합이 아니라 분자와 분자 사이의 인력이다. 그래서 물이 끓을 때 끊어지는 것은 수소 결합이고, O-H 공유 결합은 그대로이다. 수증기는 여전히 H₂O이다.

확인조건이 달라지면

HF, HCl, HBr, HI 중 1 atm에서 끓는점이 가장 낮은 것은?

탐구 2

물이 얼면 왜 부피가 커질까?

수소 결합 · 얼음 구조 · 밀도 실측

온도 = 4 °C

상태: —
밀도 (g/mL): —
1 kg의 부피: —
4 °C 물보다: —

밀도는 1 atm에서의 실측값이다(물은 표준 자료, 얼음은 0 °C 0.917 g/mL). 0 °C 미만은 얼음으로, 0 °C 이상은 액체로 보았다. 분자 그림은 2차원으로 줄인 모식이고, 실제 얼음은 입체 육각 구조이다.

질문대부분의 물질은 고체가 액체보다 빽빽해서 가라앉는다. 그런데 얼음은 물에 뜨고, 가득 채운 병을 얼리면 병이 깨진다. 물은 왜 얼 때 부피가 커질까?
복원물 분자는 굽은 극성 분자이고, 한 분자가 이웃과 최대 4개의 수소 결합을 할 수 있다. 그리고 수소 결합은 O-H…O가 거의 일직선일 때 가장 강하다.
설명그래서 얼음에서는 모든 분자가 이웃 넷과 수소 결합을 하려고 방향을 맞춰, 속이 빈 육각형 고리 구조를 만든다. 반면 액체에서는 수소 결합이 끊어졌다 이어지기를 되풀이하며 분자가 빈 공간으로 들어갈 수 있어 더 빽빽하다. 같은 부피 속 분자 수가 얼음이 약 8% 적고, 거꾸로 같은 양의 물이 얼면 부피는 약 9% 커진다.
연결0 °C 얼음의 밀도는 0.917 g/mL, 0 °C 물은 0.9998 g/mL이므로, 물 1 kg이 얼면 부피가 1000 mL에서 약 1091 mL로 커진다. 또 액체 물은 4 °C에서 밀도가 가장 크다. 녹은 뒤에도 남아 있던 얼음 비슷한 구조가 4 °C까지 무너지며 빽빽해지고, 그 위로는 열팽창이 이기기 때문이다.
적용온도를 −5 °C에서 0 °C로 올려 얼음이 녹는 순간 밀도가 어떻게 뛰는지 보자. 오른쪽 확대 그래프에서 4 °C를 지나 20 °C로 가면 밀도가 어떻게 변하는지도 확인해 보자.
판단‘차가울수록 무겁다’는 물에서 4 °C까지만 맞는다. 이 성질 덕분에 겨울 호수는 표면부터 얼고, 얼음이 뚜껑처럼 덮여 바닥의 물은 4 °C 근처로 남는다. 확대 그래프의 변화는 0.2% 정도로 아주 작지만, 이 작은 차이가 호수 전체의 물 순환을 바꾼다.

확인조건이 달라지면

가을에 10 °C였던 깊은 호수가 겨울 동안 점점 식는다. 호수에서 일어나는 일로 알맞은 것은?

탐구 3

기름과 물은 왜 섞이지 않을까?

극성과 무극성 · 분자 사이 인력 · 격자 시뮬레이션

상대–상대 인력 = 0.30

물–상대 인력 = 0.30

온도 (상대값) = 0.25

섞인 정도: —
물–상대 − 평균: —
판정: —

물-물 인력을 1로 둔 상대값이다. 섞인 정도는 서로 다른 분자끼리 이웃한 비율을 완전히 무작위로 섞였을 때와 비교한 값이고, 중력은 넣지 않아 층의 위아래는 정해지지 않는다.

질문물과 기름을 병에 넣고 세게 흔들어도 곧 두 층으로 나뉜다. 그런데 물과 에탄올은 흔들지 않아도 저절로 섞인다. 기름이 물을 ‘밀어내는’ 걸까?
복원물은 굽은 극성 분자로 이웃과 수소 결합을 한다. 반면 헥세인(C₆H₁₄) 같은 기름 성분은 C-H 결합의 극성이 거의 없는 무극성 분자라 분자 사이의 힘이 약하다.
설명분자들은 끊임없이 움직이며 자리를 바꾼다. 그런데 물 분자는 옆에 물이 있을 때 가장 세게 끌리므로, 물-물 이웃이 많은 배치가 에너지가 낮고 오래 유지된다. 즉 기름이 물을 밀어내서가 아니라 물끼리의 인력이 물-기름 인력보다 훨씬 세서 물이 물끼리 모이고, 기름은 남은 자리에 모인다.
연결그래서 기준은 ‘물-상대 인력’이 ‘물-물과 상대-상대 인력의 평균’보다 큰가이다. 에탄올(C₂H₅OH)은 -OH로 물과 수소 결합을 하므로 이 조건을 만족해 잘 섞인다. ‘극성 물질은 극성 용매에, 무극성 물질은 무극성 용매에 잘 녹는다’는 경험 규칙이 여기서 나온다.
적용헥세인에서 ‘물-상대 인력’을 조금씩 올려 어느 값부터 층이 사라지는지 보자. 물-상대 인력이 0이 아닌데도 나뉘는 구간이 있는지, 온도를 올리면 어떻게 되는지도 확인해 보자.
판단이 모형은 분자 사이 인력의 차이만 담았다. 실제로는 무극성 분자 주변에서 물 분자의 수소 결합 그물이 정돈되는 효과(엔트로피)도 크게 작용하지만, 결론은 같다. 또 ‘물과 기름은 서로 싫어한다’는 말은 비유일 뿐, 둘 사이에도 약한 인력은 있다.

확인조건이 달라지면

비누 분자는 긴 탄화수소 사슬의 한쪽 끝에 –COO⁻Na⁺가 붙은 구조이다. 비누가 옷의 기름때를 물에 씻겨 나가게 하는 이유로 알맞은 것은?