분자 간 상호작용, 수소결합과 원자 간 결합 세기(결합 에너지)

분자 간 상호작용, 수소결합(hydrogen bond)과 원자 간 결합 세기(결합 에너지)

 

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알코올 화합물과 같이 분자 간 수소결합이 가능한 물질에서, 수소결합이 일어나면 O-H 결합 세기(결합 에너지)에 영향을 줄까요? 만약 그렇다면, 어떤 영향을 줄까요?

 

이 문제는 수소결합이 가능한 상태와 불가능한(또는 어려운) 상태에서 측정한 IR 스펙트럼으로 알 수 있습니다.

 

수소결합이 가능한 상태의 IR 스펙트럼은 특별한 장치 없이, 시료를 그대로 사용한 liquid film을 통해 얻을 수 있습니다.

 

수소결합이 불가능한(또는 어려운) 상태의 IR 스펙트럼은 특별한 장치를 사용하여 시료를 기체 상태로 만들거나 또는 CCl4와 같은 용매에 용해시켜 얻을 수 있습니다. 기체 상태나 묽은 용액에서 기체 분자나 용질 분자는 분자 간 거리가 충분히 떨어져 있기 때문에 분자 간 수소결합이 일어나기 어렵습니다.

 

아래 1-hexanol을 사용한 실험 결과를 보면, 수소결합이 가능한 liquid film으로 측정한 IR 스펙트럼의 O-H 신축 진동 주파수(3324 cm-1)가 기체 상태(3670 cm-1)보다 더 낮은 곳에서 관찰되었습니다.

 

 

 

 

이 실험 결과는 수소결합이 O-H 결합 세기, 즉 산소 원자와 수소 원자 사이의 공유 결합 세기를 약하게 만든다는 것을 보여줍니다. 이것은 산소 원자와 수소 원자 사이의 공유 결합 전자들이 1-hexanol 분자 간수소결합을 형성하는데 일부 참여함으로써 그만큼 O-H 결합이 약해졌으며, 이 때문에 O-H 신축 진동 주파수(에너지)가 감소한 것입니다.

 

O-H 신축 진동에 미치는 수소결합 효과는 propionic acid를 사용한 IR 실험에서도 관찰할 수 있습니다.

 

 

기체 상태로 측정한 propionic acid의 IR 스펙트럼. 수소결합(×)

 

 

 

liquid film 상태로 측정한 propionic acid의 IR 스펙트럼. 수소결합(◯)