반데르발스 힘의 특성과 종류

반데르발스 힘의 특성과 종류

반데르발스 힘의 특성과 종류

반데르발스 힘(Van der waals force)은 분자들 사이, 즉 분자 간 결합에 기여하는 약한 힘입니다. 모든 분자는 절대영도가 아닌 상태에서 항상 에너지를 가지고 있습니다. 전자 또한 분자 내에서 항상 움직이는데 이러한 움직임은 순간적으로 분자 내 어떤 영역을 더 음전하로 만들 수 있습니다. 즉, 전자의 분포는 모든 영역에 걸쳐 같은 농도로 존재하는 것이 아니라, 전자의 움직임으로 인해 순간적으로 특정 지역에 전자가 더 많이 모여(편극) 순간적으로 전기적 극성을 가질 수 있다는 뜻입니다. 이런 전기적인 극성으로 인해 분자들 사이에는 인력이나 척력이 존재할 수 있습니다.

 

 

편극 발생으로 인한 반데르발스 상호작용

 

 

반데르발스 힘은 원자 또는 분자 사이에 순간적인 극성 변화로 나타나는 인력과 반발력의 합으로 정의됩니다. 반데르발스 힘은 입자의 전하 밀도의 흔들림으로 나타나는 힘이기 때문에 공유결합 또는 이온결합과는 다른 종류의 힘입니다.

넓은 범위의 반데르발스 힘은 수소 결합, 분산력 및 쌍극자-쌍극자 상호 작용과 같은 분자간 힘을 모두 포함합니다. 종종 좁은 범위로는 분산력만을 의미하는 경우도 있습니다.

반데르발스 힘의 특성

 

• 공유결합 또는 이온결합보다 약합니다.

• 힘의 방향성이 없습니다.

• 매우 가까운 범위에만 영향을 끼칩니다.

• 가까운 거리일수록 상호 작용이 더 커집니다.

• 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 제외하면 온도와 무관합니다.

반데르발스 힘의 구성요소

반데르발스 힘은 가장 약한 분자간 힘으로, 그 에너지는 0.4  kJ/mol ~ 4 kJ/mol 수준입니다. 이 힘이 영향을 끼치는 거리는 0.6 nm 미만의 거리에서 작용하지만 0.4 nm 미만으로 가까워지는 경우 전자 구름으로 인한 반발력으로 더 이상 영향을 끼치지 못합니다.

반데르발스 힘에 영향을 주는 4가지 요인

1. 파울리의 배타원리에서 유래한 척력으로, 이 힘은 가까운 거리에서만 유효합니다. 즉, 원자가가 포화된 분자들은 척력을 가진다는 의미입니다. 이 척력으로 인해 물질을 어느 이상 압축하기가 굉장히 어렵게 됩니다.

2. 영구적인 전하(이온), 쌍극자(극성 분자) 또는 다중극 사이에서는 서로 당기는 정전기적 상호작용이 일어납니다. 이 상호작용은 온도에 영향을 받으며 Keesom force라고 합니다.

3. 영구적으로 극성을 가지는 분자에 의해 유도된 분극이 일어날 수 있습니다. 이렇게 유도된 분극은 다른 극성 분자와 인력을 가질 수 있고 이러한 상호작용은 Debye force라고 합니다.

4. 런던 분산력은 순간적인 분극으로 발생하는 모든 분자쌍 사이의 인력을 의미합니다. 이 인력은 전자 분포의 순간적인 변화에 의해 나타나기 때문에 극성이 없는 비극성 분자들에게서도 나타나는 힘입니다. 이 힘은 Fritz London의 이름을 따서 런던 분산력이라는 이름으로 명명되었습니다.