쌍극자(dipole), 쌍극자모멘트(dipole moment), 분자의 극성 ★

쌍극자(dipole), 쌍극자모멘트(dipole moment), 분자의 극성

 

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▶ 모든 극성 분자는 쌍극자를 갖는다.

▶ 그렇지만 역은 성립하지 않는다. 즉,

쌍극자를 갖는 모든 분자가 극성 분자가 되는 것은 아니다.

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[1] 영구 쌍극자(permanent dipole)

염산(HCl)과 같은 공유결합에서

두 원자의 전기음성도 차이로 인해,

( 참고: 전기음성도 https://ywpop.tistory.com/2567 )

 

전자의 공유 형태는 비대칭(불공평)이기 때문에,

분자의 양 끝에 부분전하가 형성된다.

 

이때, 분자의 양 끝에 분리되어 있는

“크기가 같고 부호가 반대인 두 부분전하(δ+, δ–)”를

쌍극자, 또는 영구쌍극자라 한다.

---> 화학에서 “쌍극자의 정의”.

 

 

 

이런 쌍극자를 가진 공유결합을 극성 공유결합이라 한다.

즉, H–Cl의 결합은 극성 공유결합.

 

 

 

 

[2] 쌍극자 모멘트(dipole moment), μ(mu)

▶ 쌍극자의 크기(Q)와 두 부분전하 사이의 거리(r)를 곱한 값

μ = Q × r

> 쌍극자모멘트의 단위는 디바이(D)

> 전하의 크기가 클수록, 두 전하 사이의 거리가 멀수록,

쌍극자모멘트의 값은 증가한다.

 

 

▶ HCl과 같은 이원자분자의 경우,

전하의 크기는 두 원자의 전기음성도 차이를,

두 전하 사이의 거리는 두 원자간 결합길이를 사용하여,

분자의 상대적인 쌍극자모멘트 크기를 비교할 수 있다.

> 분자의 실제 쌍극자모멘트 값은

전기적 또는 분광학적 실험을 통해 측정하여 구한다.

 

 

 

[도표 1] 할로젠화 수소의 쌍극자 모멘트

 

 

 

 

▶ 쌍극자모멘트는 크기와 방향을 가지는 ‘벡터량’이며,

쌍극자모멘트의 방향은 +전하에서 –전하 쪽으로 향한다.

 

 

 

[도표 2] 몇 가지 화합물의 쌍극자 모멘트

 

 

*기체 상태에서 측정.

 

 

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[3] 분자의 쌍극자모멘트와 분자의 극성

▶ 전기 쌍극자모멘트 개념을 사용하여

화학결합의 극성 정도를 나타내는 척도를

결합 쌍극자모멘트(bond dipole moment) 또는 쌍극자모멘트라 한다.

 

 

▶ 분자의 쌍극자모멘트는

분자 내 모든 결합 쌍극자모멘트의 벡터 합에 의해 결정된다.

> 극성 공유결합을 가진 분자라도 무극성 분자가 될 수 있다.

즉, 분자의 쌍극자모멘트 값이 0(zero)이 될 수 있다.

 

 

▶ C=O 극성 공유결합을 가진 이산화탄소는

분자의 기하 구조가 직선형이고,

중심 원자인 탄소를 중심으로 좌우 대칭이기 때문에,

C=O의 쌍극자모멘트가 서로 상쇄되어,

이산화탄소의 쌍극자모멘트 값은 0(zero)이 된다.

 

 

 

▶ 따라서 어떤 분자가 극성인지, 무극성인지를 판단할 때는

분자의 기하 구조를 보고 판단해야 한다.

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/11234 ] BCl3의 기하구조. 삼각평면

 

 

▶ 가을운동회 줄다리기 시합에서,

양쪽편의 힘이 같다면, 줄은 움직이지 않는다.

 

 

 

▶ 분자의 쌍극자모멘트는 분자의 극성 정도를 나타내는 척도로 사용된다.

즉, 어느 분자가 더 극성 분자인가?는

분자의 쌍극자모멘트 값을 비교해보면 알 수 있다.

 

 

▶ 위 [도표 1]을 보면, HCl 분자가 HBr 분자보다 더 극성 분자임을 알 수 있다.

 

 

 

[그림] 벡터 합. vector addition.

 

 

 

 

[4] 영구쌍극자-영구쌍극자 힘

▶ 쌍극자모멘트를 갖는 극성 분자들 사이에 작용하는 힘

 

 

▶ 쌍극자모멘트의 크기에 비례

 

 

 

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[정전기적 인력. electrostatic attraction]

▶ (+)전하를 띤 입자와 (–)전하를 띤 입자 사이에 작용하는 인력

 

▶ 반대 하전을 띤 입자들 간의 인력

 

▶ Electrostatic attraction is the phenomenon

where a negatively charged atom or molecule is attracted to

a positively charged atom or molecule.

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/19828 ] 분자의 쌍극자 모멘트와 결합의 쌍극자 모멘트의 차이점

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/21411 ] 극성 분자와 무극성 분자의 구별

 

 

 

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