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결합 쌍극자 모멘트

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목차

1. 개요

결합 쌍극자 모멘트는 두 원자 사이의 화학 결합에서 전기음성도 차이로 인해 발생하는 쌍극자를 나타내는 척도이다. 전하와 거리의 곱으로 정의되며, 결합축에 평행한 음전하에서 양전하 방향을 가리키는 벡터로 표현된다. 분자의 총 결합 쌍극자 모멘트는 개별 결합 쌍극자 모멘트의 벡터 합으로 근사할 수 있으며, 결합의 이온성을 측정하는 데 사용된다. 결합 쌍극자 모멘트의 단위는 쿨롱-미터(C·m)이며, 분자 수준에서는 디바이(D) 단위를 주로 사용한다.

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결합 쌍극자 모멘트

2. 정의

'''결합 쌍극자'''(bond dipole영어)란 화학결합을 한 두 원자 사이에서 상대적으로 전기음성도가 더 큰 원자가 다른 원자의 전자를 끌어오는 것에 의해 생기는 쌍극자를 말한다.[1]

복잡한 분자의 총 결합 쌍극자 모멘트는 각 결합의 결합 쌍극자 모멘트의 벡터합으로 근사할 수 있다. 결합 쌍극자 모멘트 값을 모르는 분자의 경우에는, 이미 결합 쌍극자 모멘트 값이 알려진 분자에 대해 위 과정의 역과정을 적용하여 값을 구하기도 한다.

2. 1. 전하와 거리의 관계

+q의 전하량을 가지는 양전하와 -q만큼 전하량을 가지는 음전하로 이루어진 간단한 계에서 결합 쌍극자 모멘트 μ는 다음과 같이 정의한다.

:\mu = q d

여기서 d는 두 전하 사이의 거리이다. 이는 전기 쌍극자모멘트에서와 같은 정의이다.

좀 더 화학적인 계를 생각할 때, 이원자 분자에서 각 원자에 있는 전자 하나의 '''전하분율'''이 δ라고 하면 결합 쌍극자 모멘트 식의 전하량은 부분전하

:q = e \delta

가 되고 결합 쌍극자 모멘트는 다음과 같이 정의된다.

:\mu = e \delta d

여기서 d는 결합의 결합 길이, e는 전하의 전하량이다. 이러한 경우의 결합 쌍극자는 +eδ — eδ- 와 같이 생각할 수 있다.

두 원자의 전기음성도 차가 커지면 결합의 극성이 커지고, 결합 쌍극자 모멘트 또한 커진다.

결합 쌍극자 모멘트는 결합축에 평행한 음전하에서 양전하 방향을 가리키는 벡터로 생각할 수 있다.[1]

2. 2. 부분 전하와 결합 길이

이원자 분자에서 각 원자에 있는 전자 하나의 전하분율이 δ라고 하면, 결합 쌍극자 모멘트 식에 나오는 전하량은 부분 전하 q = eδ 가 되고, 결합 쌍극자 모멘트는 다음과 같이 정의된다.

:μ = eδd

여기서 d는 결합의 결합 길이, e는 전하의 전하량이다. 이러한 경우의 결합 쌍극자는 +eδ — eδ- 와 같이 생각할 수 있다.[1]

2. 3. 전기음성도와 결합 극성

화학결합을 한 두 원자 사이에서 상대적으로 전기음성도가 더 큰 원자가 다른 원자의 전자를 끌어오는 것에 의해 생기는 쌍극자를 '''결합 쌍극자'''(bond dipole영어)라고 한다.[1] 두 원자의 전기음성도 차이가 커지면, 결합의 극성이 커지고, 결합 쌍극자 모멘트 또한 커진다.

결합 쌍극자 모멘트는 결합축에 평행한 음전하에서 양전하 방향을 가리키는 벡터로 생각할 수 있다.[1] (몇몇 화학자는 결합 쌍극자 모멘트 벡터를 반대 방향, 즉, 양전하 방향에서 음전하 방향으로 그리기도 한다.[1] 하지만, 이는 단지 규약의 차이일 뿐이므로 둘을 섞어 쓰는 실수를 하지 않는다면 크게 문제가 되지 않는다.)

2. 4. 벡터 표현

결합 쌍극자 모멘트는 결합축에 평행한 음전하에서 양전하 방향을 가리키는 벡터로 생각할 수 있다.[1] 몇몇 화학자들은 결합 쌍극자 모멘트 벡터를 반대 방향(양전하에서 음전하 방향)으로 그리기도 하지만, 이는 규약의 차이일 뿐이므로 혼용하지만 않으면 문제가 되지 않는다.[1]

복잡한 분자의 총 결합 쌍극자 모멘트는 각 결합의 결합 쌍극자 모멘트의 벡터합으로 근사할 수 있다. 결합 쌍극자 모멘트가 알려지지 않은 분자의 값을 구할 때는, 역으로 이미 결합 쌍극자 모멘트 값이 알려진 분자에 적용하기도 한다.

3. 단위

결합 쌍극자 모멘트의 SI 단위는 쿨롱-미터(C·m)이다. 하지만 이 단위는 분자에서 사용하기엔 너무 크기 때문에 디바이(D) 단위를 사용한다.[2]

3. 1. 디바이(Debye) 단위

디바이(debye), D는 결합 쌍극자모멘트를 나타내는 단위이다. SI 단위인 쿨롱-미터(C·m)는 분자 수준에서 사용하기에는 너무 크기 때문에 디바이 단위를 사용한다. 1D는 3.336 × 10^−30|3.336 곱하기 10의 -30승영어 C·m이다.[2]

일반적으로 간단한 이원자 분자의 결합 쌍극자모멘트 크기는 0에서 11D 정도이다. 예를 들어, 염소(Cl2)와 같이 대칭적인 분자는 쌍극자모멘트가 없지만, 기체상의 브롬화 칼륨(KBr)은 강한 이온성을 띄어 10.5D의 큰 결합 쌍극자모멘트를 가진다.[3]

3. 2. SI 단위와의 관계

결합 쌍극자 모멘트의 SI 단위는 쿨롱-미터(C·m)이다. 하지만 이 단위는 분자에서 사용하기엔 너무 크기 때문에 디바이(D) 단위를 사용한다. debye|디바이영어는 D와 SI 단위와의 관계는 다음과 같다.[2]

:1 D = 3.336 × 10-30 C·m

3. 3. 일반적인 값의 범위

일반적인 간단한 이원자 분자의 경우, 결합 쌍극자 모멘트는 0에서 11D 사이의 값을 갖는다.[3] 염소 분자(Cl2)와 같이 대칭적인 분자는 쌍극자 모멘트가 0D이다. 반면, 기체상의 브롬화 칼륨(KBr)과 같이 강한 이온성 분자는 10.5D의 매우 큰 결합 쌍극자 모멘트를 갖는다.[3]

4. 결합의 이온성 측정

결합의 이온성은 전기적 방법이나 분광학적 방법으로 측정된 실제 쌍극자 모멘트 값(μexp)과 이론적인 이온 결합의 쌍극자 모멘트 값(μion)을 비교하여 측정할 수 있다. 결합의 이온성(I)은 다음과 같이 나타낸다.

:I = {\mu_{\mathrm{exp}} \over \mu_{\mathrm{ion}} }

I 값이 1에 가까울수록 이온 결합에 가깝고, 0에 가까울수록 비극성 공유 결합에 가깝다.

4. 1. 이론적인 이온 결합의 쌍극자 모멘트

이론적인 이온 결합의 쌍극자 모멘트는 다음과 같이 계산할 수 있다. 이온 결합의 경우, 각 전하가 원자에 최대한 분배된 경우, 즉 δ = 1인 경우로 근사할 수 있다. 따라서 결합 길이 d에 전하량 q를 곱한 값 μion은 다음과 같다.

:\mu_{\mathrm{ion}} = q d

4. 2. 실제 측정된 쌍극자 모멘트

결합의 이온성은 다음과 같이 측정할 수 있다. 이온결합의 경우, 각 전하가 원자에 최대한 분배된 경우(δ = 1)로 근사할 수 있다. 따라서 결합 길이 d에 전하량 q를 곱한 값 μion

:\mu_{\mathrm{ion}} = q d

와 전기적 방법이나 분광학적 방법을 통해 측정된 실제 쌍극자 모멘트 값 μexp를 비교함으로써 결합의 이온성 I를 측정할 수 있다.

:I = {\mu_{\mathrm{exp}} \over \mu_{\mathrm{ion}} }

I 값이 1에 가까울수록 결합은 이온결합에 가깝고, 0에 가까울수록 결합은 비극성 공유결합에 가깝다.

4. 3. 이온성 척도

결합의 이온성은 다음과 같이 측정할 수 있다. 이온 결합의 경우, 각 전하가 원자에 최대한 분배된 경우(δ = 1)로 근사할 수 있다. 따라서 결합 길이 d에 전하량 q를 곱한 값(μion = qd)과 전기적 방법이나 분광학적 방법을 통해 측정된 실제 쌍극자 모멘트 값(μexp)을 비교함으로써 결합의 이온성(I)을 측정할 수 있다.

:I = μexp / μion

I 값이 1에 가까울수록 결합은 이온 결합에 가깝고, 0에 가까울수록 결합은 비극성 공유 결합에 가깝다.

참조

[1] 웹사이트 The Electric Dipole Moment Vector : Direction,Magnitude, Meaning, Etc. http://www.av8n.com/[...]
[2] 서적 현대일반화학 제5판 자유아카데미
[3] 서적 Physical chemistry McGraw Hill


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