극성 (화학)
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
극성(Polarity)은 화학에서 분자 내 원자 간 결합의 전하 분포 불균형 정도를 의미하며, 결합의 극성과 분자의 극성으로 구분된다. 결합 극성은 원자의 전기음성도 차이에 의해 결정되며, 전기음성도 차이가 클수록 극성이 커진다. 분자의 극성은 개별 결합 극성의 합과 분자 구조에 따라 결정되며, 극성 분자는 쌍극자를 가지는 반면, 무극성 분자는 쌍극자를 갖지 않는다. 극성 분자는 비극성 분자보다 높은 끓는점과 표면 장력을 가지며, 물에 더 잘 용해되는 경향이 있다. 또한 양쪽성 분자는 친수성 및 친유성 특성을 동시에 가지며, 계면활성제 역할을 한다. 분자의 극성은 점군을 통해 예측할 수 있으며, 물줄기의 전기적 굴절은 극성 분자에 의한 현상이 아닌, 전하를 띤 물방울에 의해 유도되는 현상이다.
더 읽어볼만한 페이지
- 화학적 성질 - 에너지 준위
에너지 준위는 양자 역학적 계에서 입자가 가질 수 있는 특정 에너지 값으로, 원자 내 전자의 양자화된 에너지 상태를 나타내며 분자에서는 전자, 진동, 회전 에너지 준위가 존재하고, 에너지 준위 간 전이는 광자의 흡수 또는 방출을 수반한다. - 화학적 성질 - 양쪽성
양쪽성은 산과 염기 모두로 작용할 수 있는 성질을 나타내며, 브뢴스테드-로우리 이론에 따라 양성자를 주고받을 수 있는 물, 아미노산 등이 대표적이며, 용액의 pH에 따라 산 또는 염기로 작용하는 산화아연 등도 존재한다. - 물리화학 - 활성화 에너지
활성화 에너지는 화학 반응이 일어나기 위해 반응물이 넘어야 하는 최소 에너지 장벽으로, 반응 속도에 직접적인 영향을 미치며 촉매에 의해 조절될 수 있고, 아레니우스 식으로 표현되며, 다양한 화학 현상 이해에 필수적인 개념이다. - 물리화학 - 전해질
전해질은 용액에서 이온으로 해리되어 전기 전도성을 갖는 물질로, 생체 내에서 세포막 전위 유지 및 신경-근육 기능 조절에 필수적이며, 농도와 해리 정도에 따라 강전해질과 약전해질로 나뉜다. - 화학 결합 - 원자가 전자
원자가 전자는 원자의 최외각 전자껍질에 존재하며 화학적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하고, 주족 원소는 최외각 전자껍질의 전자로 정의되지만 전이 원소는 (n-1)d 궤도의 전자도 포함하며, 주기율표 족에 따라 예측 가능하지만 예외도 존재하고, 화학 결합, 산화 상태, 전기 전도도에 영향을 미친다. - 화학 결합 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.
| 극성 (화학) | |
|---|---|
| 화학적 성질 | |
| 설명 | 분자 내의 전기적 전하의 분리 |
| 관련 항목 | 쌍극자 모멘트 분자간 힘 친수성 소수성 용해도 전기 음성도 |
| 극성 (화학) | |
| 설명 | 분자를 구성하는 원자들의 전기음성도 차이에 의해 분자 내에 전하가 고르게 분포하지 않는 성질 |
| 특징 | 쌍극자 모멘트를 가짐 극성 용매에 잘 용해됨 분자간 인력이 강함 |
2. 결합 극성 (Polarity of bonds)
모든 원자가 전자를 같은 힘으로 끌어당기는 것은 아니다. 원자가 전자에 가하는 "당기는" 힘의 정도를 전기음성도라고 한다. 플루오린, 산소, 질소와 같이 전기음성도가 높은 원자는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속과 같이 전기음성도가 낮은 원자보다 전자를 더 강하게 끌어당긴다. 결합에서 이는 원자 간의 전자가 불균등하게 공유되게 하며, 전자는 전기음성도가 높은 원자에 더 가까이 끌린다.
전자는 음전하를 띠기 때문에 결합 내에서 전자가 불균등하게 공유되면 전기 쌍극자가 형성된다. 즉, 양전하와 음전하가 분리된다. 이러한 쌍극자에서 분리된 전하의 양은 일반적으로 기본 전하보다 작기 때문에, δ+ (델타 플러스) 및 δ− (델타 마이너스)로 표시되는 부분 전하라고 한다. 이 기호는 1926년에 크리스토퍼 켈크 인골드 경과 힐다 인골드에 의해 도입되었다.[1][2] 결합 쌍극자 모멘트는 분리된 전하의 양과 전하 사이의 거리를 곱하여 계산하며, 분자 내의 이러한 쌍극자는 다른 분자의 쌍극자와 상호 작용하여 쌍극자-쌍극자 분자간 힘을 생성할 수 있다.
2. 1. 결합 극성의 분류 (Classification)
결합은 완전히 무극성이거나 완전히 극성일 수 있다. 완전히 무극성 결합은 두 원자의 전기음성도가 같을 때 발생한다. 반면, 완전히 극성 결합은 이온 결합이라고 하며, 두 원자의 전기음성도 차이가 커서 한 원자가 다른 원자로부터 전자를 빼앗을 때 발생한다. "극성" 및 "무극성"이라는 용어는 주로 공유 결합에 사용된다. 공유 결합의 극성은 두 원자 간의 전기음성도 차이를 통해 수치적으로 결정할 수 있다.폴링 척도에 따르면 결합 극성은 다음과 같이 세 그룹으로 나뉜다.
- '''무극성 결합''': 두 원자 간의 전기음성도 차이가 0.5 미만일 때 발생한다.
- '''극성 결합''': 두 원자 간의 전기음성도 차이가 대략 0.5에서 2.0 사이일 때 발생한다.
- '''이온 결합''': 두 원자 간의 전기음성도 차이가 2.0보다 클 때 발생한다.
2. 1. 1. 부분 이온성 특성
라이너스 폴링은 결합의 ''부분 이온성 특성''을 두 결합 원자 간의 전기음성도 차이의 근사 함수로 설명했다. 폴링은 전기음성도 차이가 1.7이면 50%의 이온성 특성을 가지며, 차이가 더 클수록 이온 결합에 가깝다고 추정했다.[3]폴링은 양자역학적 설명으로 극성 분자 AB에 대한 파동 함수가 공유 분자 및 이온 분자에 대한 파동 함수의 선형 결합이라고 제안했다. (ψ = aψ(A:B) + bψ(A+B−)). 공유 특성과 이온 특성의 양은 제곱 계수 a2 및 b2의 값에 따라 달라진다.[4]
2. 1. 2. 양자역학적 설명
폴링은 양자역학적 설명으로, 극성 분자 AB에 대한 파동 함수는 공유 분자 및 이온 분자에 대한 파동 함수의 선형 결합이라고 제안했다. (ψ = aψ(A:B) + bψ(A+B−)). 공유 특성과 이온 특성의 양은 제곱 계수 a2 및 b2의 값에 따라 달라진다.[4]2. 2. 결합 쌍극자 모멘트 (Bond dipole moments)
'''결합 쌍극자 모멘트'''[5]는 분자 내의 화학 결합의 극성을 측정하기 위해 전기 쌍극자 모멘트의 개념을 사용한다. 이는 양전하와 음전하의 분리가 있을 때 발생한다.결합 쌍극자 μ는 다음과 같이 주어진다.
:.
결합 쌍극자는 δ+ — δ–로 모델링되며, 부분 전하 δ+와 δ– 사이의 거리 ''d''를 갖는다. 이는 결합 축에 평행하고 마이너스에서 플러스로 향하는 벡터이며,[6] 이는 전기 쌍극자 모멘트 벡터의 일반적인 표현이다.
화학자들은 종종 플러스에서 마이너스로 향하는 벡터를 그린다.[7] 이 벡터는 두 원자가 거리 ''d''만큼 떨어져 있고 상호 작용하도록 허용될 때 전자가 겪는 이동, 즉 전자가 자유 상태 위치에서 더 전기음성도가 높은 원자 주변으로 더 국소화되도록 움직이는 것으로 물리적으로 해석될 수 있다.
전기 쌍극자 모멘트의 SI 단위는 쿨롬-미터이다. 이는 분자 규모에서 실용적으로 사용하기에는 너무 크다. 결합 쌍극자 모멘트는 일반적으로 데바이 단위로 측정되며, 기호 D로 표시된다. 이는 전하 를 10−10 스탯쿨롬 단위로 측정하고 거리 ''d''를 옹스트롬 단위로 측정하여 얻는다. 변환 계수 10−10 스탯쿨롬이 0.208 단위의 기본 전하라는 사실을 바탕으로, 1.0 데바이는 0.208 Å 떨어진 전자와 양성자에서 발생한다. 유용한 변환 계수는 1 D = 3.335 64 C m이다.[8]
이원자 분자의 경우 단일(단일 또는 다중) 결합만 있으므로 결합 쌍극자 모멘트는 분자 쌍극자 모멘트이며, 일반적인 값은 0에서 11 D 사이이다. 한 극단적인 예로, 브롬과 같은 대칭 분자는 쌍극자 모멘트가 0이고, 다른 극단적인 예로는 기체 상태의 브롬화 칼륨은 이온성이 매우 높으며 쌍극자 모멘트가 10.41 D이다.[9][10]
다원자 분자의 경우, 둘 이상의 결합이 있다. 전체 분자 쌍극자 모멘트는 개별 결합 쌍극자 모멘트의 벡터 합으로 근사할 수 있다. 종종 결합 쌍극자는 역 과정을 통해 얻어진다. 즉, 분자의 알려진 전체 쌍극자를 결합 쌍극자로 분해할 수 있다. 이는 동일한 결합을 가지지만 전체 쌍극자 모멘트가 아직 알려지지 않은 분자에 결합 쌍극자 모멘트를 전달하기 위해 수행된다. 전달된 결합 쌍극자의 벡터 합은 분자의 전체(알려지지 않은) 쌍극자에 대한 추정치를 제공한다.
3. 분자의 극성 (Polarity of molecules)
분자는 서로 다른 원자의 분자 궤도 간의 화학 결합으로 구성된다. 분자는 전기 음성도 차이로 인한 극성 결합을 가질 수도 있고, 비극성 공유 결합과 비결합 전자쌍의 비대칭적 배열로 인해 극성을 띨 수도 있다.
분자의 극성은 "극성 공유", "비극성 공유", "이온성" 등으로 나타낼 수 있지만, 이는 상대적인 개념이다. 한 분자가 다른 분자보다 더 극성이거나 덜 극성일 수 있다.
극성 분자는 비슷한 몰 질량을 가진 무극성 분자보다 끓는점이 높다. 이는 극성 분자 간의 쌍극자-쌍극자 상호 작용과 수소 결합 때문이다. 예를 들어, 물은 수소 결합을 형성하여 끓는점이 100°C인 반면, 무극성 메테인은 끓는점이 -161°C이다.
물은 극성이기 때문에 다른 극성 분자들은 일반적으로 물에 잘 녹는다. 반면 대부분의 무극성 분자는 실온에서 물에 잘 녹지 않으며([소수성]), 테레빈유와 같은 무극성 유기 용매에 잘 녹는다.
극성 화합물은 비극성 화합물보다 표면 장력이 더 높은 경향이 있다. 또한 극성 액체는 모세관 현상에 의해 좁은 관에서 중력을 거슬러 올라가는 경향이 있으며, 비극성 액체보다 점도가 더 높은 경향이 있다. 하지만 분자 크기는 점도에 더 큰 영향을 미치는 요인이므로, 분자가 큰 화합물은 분자가 작은 화합물보다 점성이 더 높다.
3. 1. 극성 분자 (Polar molecules)
극성 분자는 비대칭적으로 배열된 극성 결합으로 인해 부분적인 양전하와 부분적인 음전하를 가지며, 이로 인해 순 쌍극자를 갖는다. 물(H2O)은 한쪽에 약간의 양전하, 다른 쪽에 약간의 음전하를 가지고 있어 극성 분자의 대표적인 예시이다. 물의 쌍극자 모멘트는 상태에 따라 다른데, 기체 상태에서는 약 1.86 데바이(D)이며,[11] 액체(약 2.95 D)[12]와 얼음(약 3.09 D)[13]에서는 수소 결합 환경의 차이로 인해 더 높다.
분자의 결합 쌍극자 모멘트가 상쇄되지 않으면 분자는 극성을 띤다. 물 분자(H2O)는 굽은 (비선형) 구조에서 두 개의 극성 O−H 결합을 포함한다. 이 결합 쌍극자 모멘트는 상쇄되지 않아 분자는 분자 쌍극자를 형성하는데, 이때 음극은 산소에, 양극은 두 수소 원자 사이에 위치한다.
플루오린화 수소(HF) 분자는 극성 공유 결합으로 인해 극성을 띤다. 공유 결합 내의 전자는 전기음성도가 더 높은 플루오린 원자 쪽으로 이동한다.
암모니아(NH3)는 세 개의 N−H 결합이 약간의 극성을 갖는 분자이다. VSEPR 이론에 따르면, 암모니아는 정사면체의 네 번째 꼭짓점을 향하는 궤도에 두 개의 고립 전자를 가지고 있다. 이 고립 전자는 공유 결합에 참여하지 않지만, 높은 전자 밀도로 인해 암모니아 분자 전체에 강력한 쌍극자를 생성한다.
오존(O3) 분자에서 두 개의 O−O 결합은 비극성이다(동일 원자 간 결합이므로 전기음성도 차이가 없다). 그러나 전자의 분포는 불균일하다. 중심 원자는 다른 두 원자와 전자를 공유해야 하지만, 각 외부 원자는 다른 하나의 원자와만 전자를 공유한다. 따라서 중심 원자는 다른 원자보다 전자가 부족하여 +1의 형식 전하를 갖는 반면, 외부 원자는 각각 -1/2의 형식 전하를 갖는다. 굽은 분자 구조로 인해 오존 분자 전체에 쌍극자가 발생한다.
극성 분자는 비슷한 몰 질량을 가진 비극성 분자에 비해 일반적으로 더 높은 끓는점을 갖는다. 이는 극성 분자 간의 쌍극자-쌍극자 상호 작용이 더 강한 분자간 인력을 발생시키기 때문이다. 극성 상호 작용의 일반적인 형태 중 하나는 수소 결합이다. 예를 들어, 물은 수소 결합을 형성하며 몰 질량(M)이 18이고 끓는점이 +100 °C인 반면, 비극성 메테인은 M = 16이고 끓는점이 –161 °C이다.
3. 2. 무극성 분자 (Nonpolar molecules)
분자는 이원자 분자를 구성하는 두 원자 사이의 전자가 동일하게 공유되거나, 더 복잡한 분자 내에서 극성 결합이 대칭적으로 배열되어 있을 때 무극성이 될 수 있다. 예를 들어, 삼플루오르화 붕소(BF3)는 120°에서 세 개의 극성 결합이 삼각 평면으로 배열되어 있다. 이는 분자에 전체적인 쌍극자가 없게 한다.
이산화 탄소(CO2)는 두 개의 극성 C=O 결합을 가지지만, CO2의 구조는 선형이므로 두 결합 쌍극자 모멘트가 상쇄되어 순 분자 쌍극자 모멘트가 없으며, 분자는 무극성이다.
가정에서 사용되는 무극성 화합물의 예로는 지방, 기름, 휘발유가 있다.
메테인 분자(CH4)에서 네 개의 C−H 결합은 탄소 원자 주위에 사면체 형태로 배열되어 있다. 각 결합은 극성을 가진다 (그리 강하지는 않지만). 결합이 대칭적으로 배열되어 분자에 전체적인 쌍극자가 없다. 이원자 산소 분자(O2)는 동일한 전기음성도 때문에 공유 결합에 극성이 없으므로 분자에 극성이 없다.
3. 3. 양쪽성 분자 (Amphiphilic molecules)
양쪽성 분자는 한쪽 끝에 극성 그룹이 붙어 있고 다른 쪽 끝에는 비극성 그룹이 있는 큰 분자를 말한다. 이들은 훌륭한 계면활성제이며 물과 지방의 안정적인 유제(乳劑) 또는 혼합물의 형성을 돕는다. 계면활성제는 액체와 액체 계면에서 흡착함으로써 오일과 물 사이의 계면 장력을 줄인다.[1]4. 분자 극성 예측 (Predicting molecule polarity)
점군을 결정하는 것은 분자의 극성을 예측하는 데 유용한 방법이다. 일반적으로, 분자의 개별 결합 쌍극자 모멘트가 서로 상쇄되면 분자는 쌍극자 모멘트를 갖지 않는다. 이는 쌍극자 모멘트가 크기와 방향을 가진 유클리드 벡터 양이기 때문이며, 서로 반대 방향인 두 개의 동일한 벡터는 상쇄되기 때문이다.
반전 중심("i") 또는 수평 거울면("σh")을 가진 모든 분자는 쌍극자 모멘트를 갖지 않는다. 마찬가지로, 두 개 이상의 C''n'' 회전축을 가진 분자는 쌍극자 모멘트가 여러 차원에 존재할 수 없기 때문에 쌍극자 모멘트를 갖지 않는다. 이러한 제약 조건의 결과로, 정의상 D 점군은 두 개 이상의 C''n'' 축을 가지므로 이각형 대칭(D''n'')을 가진 모든 분자는 쌍극자 모멘트를 갖지 않는다.
C1, Cs, C∞h, C''n'' 및 C''n''v 점군은 반전 중심, 수평 거울면 또는 여러 C''n'' 축을 갖지 않으므로, 이러한 점군 중 하나에 속하는 분자는 쌍극자 모멘트를 갖는다.
5. 물의 전기적 굴절 (Electrical deflection of water)
흔한 오해와는 달리, 대전된 물체에 의한 물줄기의 전기적 굴절은 극성에 기반하지 않는다. 굴절은 대전된 물체가 유도하는 물줄기 내의 전하를 띤 물방울 때문에 발생한다. 물줄기는 또한 균일한 전기장에서도 굴절될 수 있으며, 이는 극성 분자에 힘을 가할 수 없다. 또한 물줄기가 접지된 후에는 더 이상 굴절될 수 없다. 비극성 액체에서도 미약한 굴절이 가능하다.[14]
참조
[1]
논문
The Origin of the "Delta" Symbol for Fractional Charges
http://www.jce.divch[...]
2009
[2]
논문
The Nature of the Alternating Effect in Carbon Chains. Part V. A Discussion of Aromatic Substitution with Special Reference to Respective Roles of Polar and Nonpolar Dissociation; and a Further Study of the Relative Directive Efficiencies of Oxygen and Nitrogen
1926
[3]
서적
The Nature of the Chemical Bond
https://archive.org/[...]
Oxford University Press
1960
[4]
서적
The Nature of the Chemical Bond
https://archive.org/[...]
Oxford University Press
1960
[5]
웹사이트
Dipole_Moments
https://chem.librete[...]
California State University
2018
[6]
문서
electric dipole moment, ''p''
[7]
논문
Misconceptions in Sign Conventions: Flipping the Electric Dipole Moment
[8]
서적
Physical Chemistry
https://archive.org/[...]
W.H. Freeman
2006
[9]
문서
Physical chemistry
McGraw Hill
1966
[10]
논문
Dipole Moments of KF and KBr Measured by the Molecular-Beam Electric-Resonance Method
[11]
논문
Dipole moment of water from Stark measurements of H2O, HDO, and D2O
1973-09-01
[12]
논문
The total molecular dipole moment for liquid water
2002-08-27
[13]
논문
Molecular multipole moments of water molecules in ice Ih
1998-09-15
[14]
논문
Electrical Deflection of Polar Liquid Streams: A Misunderstood Demonstration
2000-11-01
[15]
서적
[16]
문서
[17]
서적
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com