탄화수소의 구조와 성질

사이클로헥세인과 1-헥센은 둘 다 분자식이 \(\mathrm{C_6H_{12}}\)이다. 두 시험관에 각각 몇 방울씩 넣고 주황색 브로민수를 떨어뜨려 흔들었더니, 1-헥센 쪽은 주황색이 곧바로 사라졌고 사이클로헥세인 쪽은 그대로 남았다. 탄소가 여섯 개인 헥세인 \(\mathrm{C_6H_{14}}\)도 색을 없애지 못했다. 같은 원자로 이루어진 분자가 왜 다르게 반응할까? 그리고 탄소 수가 늘어날수록 끓는점은 어떻게 변할까?

4.1.1이중 결합이 반응을 정한다

탄화수소는 탄소와 수소로만 된 화합물이다. 탄소끼리 모두 단일 결합으로 이어진 알케인과 고리 모양의 사이클로알케인은 반응성이 작아, 브로민수와 섞어도 쉽게 반응하지 않는다. 탄소 사이에 이중 결합이 하나 있는 알켄은 이중 결합 가운데 하나가 비교적 약해서, 브로민 분자가 그 자리에 더해지는 첨가 반응을 쉽게 한다. 브로민이 소모되면 주황색이 사라진다. 사이클로헥세인과 1-헥센은 분자식이 같은 이성질체이지만, 하나는 고리로 수소를 다 채웠고 다른 하나는 이중 결합을 가져서 반응이 다르다.

탄소 수가 같은 사슬 모양의 알케인 \(\mathrm{C_nH_{2n+2}}\)보다 수소가 2개 적으면 이중 결합이나 고리가 하나 있다는 뜻이다. 분자식만으로는 둘을 구별할 수 없지만, 브로민수의 색 변화로 이중 결합이 있는지 확인한다. 여섯 개의 탄소가 고리를 이루고 이중 결합처럼 보이는 결합이 세 개 있는 벤젠은 이 반응을 쉽게 하지 않는데, 그 까닭은 4-5에서 다룬다.¹

4.1.2크기가 끓는점을 정한다

탄화수소 분자는 극성이 거의 없어서 분자 사이에는 분산력만 작용한다. 분산력은 분자가 클수록, 곧 전자가 많고 서로 닿는 면이 넓을수록 세다. 그래서 곧은 사슬 알케인은 탄소가 늘수록 끓는점이 오른다. 탄소 수가 같아도 가지가 많아 공처럼 둥근 분자는 닿는 면이 좁아 끓는점이 낮다. 휘발유는 탄소 5개에서 10개쯤의 탄화수소 혼합물이어서 쉽게 증발하고, 양초는 탄소 20개가 넘는 분자들이어서 실온에서 고체이다.

4.1.3예제 풀이

\(\mathrm{C_6H_{12}}\)의 몰 질량은 \(6 \times 12.01 + 12 \times 1.008 \approx 84.2\) g/mol이므로 0.84 g은 약 0.0100 mol이다. 브로민 1.60 g은 \(1.60/159.8 \approx 0.0100\) mol이다. 분자 1개가 브로민 1분자를 소모했으므로 이중 결합이 1개이다.

사이클로헥세인은 이중 결합이 없어 브로민을 소모하지 않으므로, 이 화합물은 1-헥센 같은 알켄이다. 분자식에서 수소가 사슬 알케인보다 2개 적다는 것은 고리 또는 이중 결합이 하나 있다는 것까지만 알려 주고, 브로민수 시험이 그 가운데 어느 쪽인지 가려 준다. 즉 탄화수소의 성질은 분자식보다 구조가 정한다. 끓는점은 분자의 크기와 모양이, 반응성은 이중 결합 같은 결합의 종류가 결정한다.

아래 탐구 카드에서 탄소 여섯 개짜리 탄화수소들의 끓는점과 브로민수에 대한 반응을 비교해 보자.

1. 불포화 지방이 많은 식물성 기름도 이중 결합을 가지고 있어 브로민이나 아이오딘을 더한다. 기름 100 g이 더하는 아이오딘의 g 수를 아이오딘가라 하며, 기름이 얼마나 불포화되었는지를 나타내는 데 쓴다.