분자량

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1. 개요
2. 분자량의 정의 및 계산
- 2.1. 분자량과 화학식량
- 2.2. 몰 질량과 상대 분자량
3. 분자량 측정 방법
4. 분자량과 물성
5. 고분자의 분자량
참조

1. 개요

분자량은 분자의 질량을 나타내는 값으로, 원자량과 마찬가지로 특정 분자의 질량을 기준으로 한 상대적인 값이다. 기체의 밀도 비교를 통해 분자량을 알 수 있으며, 액체나 고체의 경우 끓는점 오름 또는 어는점 내림을 이용하기도 한다. 분자식을 알면 각 원자의 원자량 합으로 분자량을 계산할 수 있으며, 분자량은 달톤(Da) 또는 통일 원자 질량 단위(u)로 나타낸다. 분자가 존재하지 않는 화합물에서는 화학식량을 사용한다. 분자량은 끓는점, 점성 등 다양한 물성에 영향을 미치며, 고분자의 경우 평균 분자량을 사용한다. 분자량 측정 방법으로는 증기 밀도, 열역학적 성질, 질량 분석법, 질량 광도법, 수력학적 방법, 정적 광산란 등이 있다.

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분자량
분자량 정보
정의	분자를 구성하는 원자들의 원자량의 총합
단위	Da (Dalton) g/mol
특징
측정 방법	질량 분석법 크라이오스코피 에불리오스코피
참고 사항
다른 이름	분자 질량 상대 분자 질량

2. 분자량의 정의 및 계산

분자량은 분자를 구성하는 원자들의 원자량을 모두 더하여 계산한다. 원자량은 국제적으로 정해진 표준 원자량을 사용하며, 주기율표에서 확인할 수 있다.^[3]

분자의 무게는 아보가드로 법칙에 따라, 같은 온도, 같은 압력, 같은 부피 속에서 같은 수의 분자를 가지는 기체의 밀도를 비교하여 구할 수 있다. 예를 들어, 산소 분자량을 32.000으로 하면, 수소는 2.016, 이산화탄소는 44.01이 된다. 산소 분자량을 32.000으로 정한 것은 산소 분자가 2개의 원자로 이루어져 있다고 보기 때문에, 산소 원자량의 2배를 한 것이다. 액체나 고체도 쉽게 기체로 만들 수 있다면 기체로 만들어 분자량을 구할 수 있다. 기체로 만들기 어려운 경우에는 끓는점 오름이나 어는점 내림 등을 이용한다.^[11]

메테인(CH₄)의 분자량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

CH₄의 몰 질량
	표준 원자량	원자 수	총 몰 질량 (g/mol) 또는 분자량 (단위 없음)
C		1	style="text-align:right;"\|
H		4	style="text-align:right;"\|
CH₄			style="text-align:right;"\|
¹²C¹H₄의 분자량
	핵종 질량 (Da 또는 u)	원자 수	총 분자량 (Da 또는 u)
¹²C	12.0000	1	12.0000
¹H	1.007825	4	4.0313
CH₄			16.0313

질량 분석법을 이용하면, 동위 원소 조성에 따라 분자량이 조금씩 다른 분자들을 구별할 수 있다. 예를 들어, 고해상도 질량 분석법에서 ¹²C¹H₄와 ¹³C¹H₄는 각각 약 16.031 Da와 17.035 Da의 분자량을 갖는 개별 분자로 관찰된다.

와 템플릿은 제거되어야 한다.

2. 1. 분자량과 화학식량

분자 화합물은 분자량을 사용하지만, 이온 결정, 금속 결정, 공유 결정 등 분자가 아닌 화합물은 화학식량을 사용한다. 화학식량은 조성식으로 나타낸 원자 집단의 상대 질량을 의미한다.^[1] 따라서 "물질량의 정의에 있어서 요소 입자의 질량"이라는 의미에서, 분자량은 요소 입자로서 분자를 지정한 경우의 화학식량이라고도 할 수 있다.^[1]

화학식량은 분자식이나 조성식과 구성 원자의 원자량으로부터 계산된다.^[1] 대상 시료의 원자량은, 그 동위체 존재비와 각 동위체의 상대 원자 질량으로부터 계산되는 양이며, 둘 다 측정 가능하지만, 통상적인 시료, 즉 천연 존재비임이 명확한 시료에 대해서는 IUPAC가 발표하는 표준 원자량을 사용할 수 있다.^[1]

2. 2. 몰 질량과 상대 분자량

몰 질량은 물질 1몰에 해당하는 질량 (g/mol)이며, 상대 분자량은 단위가 없는 상대적인 값이다. 분자량은 분자 내 각 핵종의 원자 질량으로부터 계산되며, 몰 질량과 상대 분자량은 각 화학 원소의 표준 원자량^[3]으로부터 계산된다. 표준 원자량은 주어진 샘플(일반적으로 "정상"으로 가정)에서 해당 원소의 동위 원소 분포를 고려한다.^[11] 예를 들어 물의 몰 질량은 18.0153(3) g/mol이지만, 개별 물 분자의 분자량은 18.010 564 6863(15) Da (¹H¹⁶O)에서 22.027 7364(9) Da (²H¹⁸O)까지 다양하다.

원자 및 분자 질량은 일반적으로 달톤으로 보고되며, 이는 동위 원소 ¹²C (탄소-12)의 질량으로 정의된다. 그러나 "통일 원자 질량 단위" (u)라는 이름도 여전히 일반적인 관행에서 사용된다. 정의된 상대 원자 및 분자 질량은 무차원량이다. 몰 질량은 그램/mol로 표현될 때 상대 원자 및 분자 질량과 거의 동일한 수치 값을 갖는다. 예를 들어, 분자식이 CH₄인 메테인의 몰 질량과 분자량은 각각 다음과 같이 계산된다.

CH₄의 몰 질량
	표준 원자량	원자 수	총 몰 질량 (g/mol) 또는 분자량 (단위 없음)
C		1	style="text-align:right;"\|
H		4	style="text-align:right;"\|
CH₄			style="text-align:right;"\|
¹²C¹H₄의 분자량
	핵종 질량 (Da 또는 u)	원자 수	총 분자량 (Da 또는 u)
¹²C	12.0000	1	12.0000
¹H	1.007825	4	4.0313
CH₄			16.0313

공유 결정, 금속 결정, 이온 결정과 같이 분자가 존재하지 않는 화합물에서는 적절히 정의된 조성식으로 표시되는 원자 집단의 상대 질량인 화학식량을 분자량 대신 사용한다.

3. 분자량 측정 방법

분자량은 다양한 실험적 방법을 통해 측정할 수 있다.

아보가드로 법칙에 따르면, 같은 온도, 같은 압력, 같은 부피 속의 모든 기체는 같은 수의 분자를 가진다. 따라서 같은 조건에서 기체의 밀도를 비교하면 기체 1분자의 상대적인 무게, 즉 분자량을 알 수 있다. 예를 들어 산소 분자량을 32.000으로 하면, 수소는 2.016, 이산화탄소는 44.01이 된다.^[1] 액체나 고체도 쉽게 기체로 변하는 경우, 기체로 만들어 분자량을 구할 수 있다. 비휘발성 물질은 끓는점 오름이나 어는점 내림 등을 이용한다.^[1]

분자량을 측정하는 방법은 다음과 같다:

증기 또는 기체의 밀도를 측정하고, 이상 기체로 행동한다고 가정하여 구하는 방법 (빅터 마이어법 등)^[11]
용액의 열역학적 성질을 이용하여 끓는점 오름이나 어는점 내림을 측정하여 구하는 방법^[11]
질량 분석기로 분자의 상대 질량을 직접 측정하는 방법
라스트법을 통해 산출하는 방법^[11]

고분자와 같이, 조성은 일정하지만 특정 분자의 크기로 결정되지 않는 물질의 경우, '''평균 분자량'''으로 측정하는 방법은 다음과 같다.

용액의 삼투압을 측정하여 구하는 방법^[11]
빛의 레일리 산란으로부터 구하는 방법
크기 배제 크로마토그래피 등의 확산율로부터 구하는 방법
원심 분리의 침강 속도로부터 구하는 방법
점성률로부터 구하는 방법

어떠한 방법을 사용하든, 측정 대상이 단체의 분자인지, '''회합체''', '''클러스터''', 전체의 물성인지를 고려해야 하며, 후자의 경우에는 측정값을 보정하여 분자량으로 한다.

3. 1. 질량 분석법

질량 분석법에서, 작은 분자의 분자량은 일반적으로 단일동위원소 질량으로 보고된다. 즉, 각 원소의 가장 흔한 동위원소만 포함하는 분자의 질량이다. 이는 분자량과 미묘하게 다른데, 동위원소의 선택이 정의되어 있기 때문에 여러 가능성 중 특정한 하나의 분자 질량만을 가리키기 때문이다. 단일동위원소 분자량을 계산하는 데 사용되는 질량은 동위원소 질량 표에서 찾아볼 수 있으며, 일반적인 주기율표에서는 찾아볼 수 없다.

평균 분자량은 더 큰 분자에 자주 사용되는데, 많은 원자를 가진 분자는 각 원소의 가장 풍부한 동위원소로만 구성될 가능성이 낮기 때문이다. 이론적인 평균 분자량은 일반적인 주기율표에서 찾을 수 있는 표준 원자량을 사용하여 계산할 수 있다. 그러나 매우 작은 샘플의 평균 분자량은 이와 상당히 다를 수 있는데, 이는 단일 샘플의 평균이 지리적으로 분산된 많은 샘플의 평균과 같지 않기 때문이다.

분자량은 질량 분석기를 통해 이온화된 분자의 상대 질량을 직접 측정하여 실험적으로 결정할 수 있다.

3. 2. 질량 광도법

질량 광도법(MP)은 단분자 수준에서 단백질, 지질, 당, 핵산의 분자량을 얻는 빠르고, 용액 기반의 표지 없는 방법이다. 이 기술은 간섭 산란광 현미경을 기반으로 한다.^[4] 단백질 용액과 유리 슬라이드 사이의 계면에서 발생하는 단일 결합 이벤트에 의한 산란광의 대비는 감지되며 분자의 질량에 선형적으로 비례한다. 이 기술은 또한 시료 균질성을 측정하고,^[5] 올리고머화 상태를 감지하며, 리보솜, GroEL, AAV와 같은 복잡한 거대 분자 어셈블리 및 단백질-단백질 상호 작용과 같은 단백질 상호 작용을 식별하는 데 사용할 수 있다.^[6] 질량 광도법은 광범위한 분자량(40 kDa – 5 MDa)에 걸쳐 분자량을 정확하게 측정할 수 있다.

3. 3. 수력학적 방법

마크-후윙크 관계식에 따르면, 분자량 결정은 고유 점도가 고분자 용액의 용질 부피에 의존한다는 사실에 기초한다.^[7] 분자량과 관련된 수력학적 크기는 특정 분자의 형태를 설명하는 변환 인자에 의존한다. 이를 통해 DLS, SEC (용리액이 유기 용매일 경우 GPC라고도 함), 점도 측정법, 확산 정렬된 핵자기 공명 분광법 (DOSY)을 포함한 수력학적 효과에 민감한 다양한 기술을 통해 겉보기 분자량을 설명할 수 있다.^[8] 겉보기 수력학적 크기는 일련의 고분자 특정 표준을 사용하여 분자량을 근사하는 데 사용될 수 있으며,^[9] 이는 보정을 필요로 하므로, 종종 "상대적" 분자량 결정 방법으로 설명된다.

3. 4. 정적 광산란

짐 방법을 사용하는 고전적인 정적 광산란 또는 다중 각도 광산란 검출기를 통해 빛의 산란 강도를 측정하여 절대 분자량을 직접 결정할 수 있다. 이 방법으로 결정된 분자량은 보정이 필요 없으므로 "절대적"이라는 용어를 사용한다. 필요한 유일한 외부 측정은 굴절률 증분으로, 농도에 따른 굴절률의 변화를 나타낸다.

3. 5. 기타 측정 방법

증기 또는 기체의 밀도를 측정하고, 이상 기체 상태라고 가정하여 분자량을 구할 수 있다. 빅터 마이어법이 그 예시이다.^[11]

용액의 열역학적 성질을 이용하여 끓는점 오름이나 어는점 내림을 측정하여 분자량을 구할 수도 있다.^[11]

삼투압을 측정하여 분자량을 구하는 방법도 있다.^[11]

라스트법을 통해 간편하게 분자량을 계산할 수 있다.^[11]

4. 분자량과 물성

분자량은 순물질의 끓는점, 점성 등 다양한 물성에 영향을 미치며, 묽은 용액의 끓는점 오름 및 어는점 내림 등을 이용하여 분자량을 측정할 수도 있다.

고분자의 경우, 분자량은 개별 분자마다 다르기 때문에 단일 값이 아닌 평균 분자량으로 나타낸다. 평균 분자량은 구하는 방법에 따라 여러 종류가 있으며, 같은 평균 분자량을 가진 시료라도 분자량 분포에 따라 물성이 달라진다. 고분자의 반응이나 합성을 정량적으로 다룰 때는 반복 단위를 기준으로 하는 화학식량을 사용하는 것이 적절하다.

질량 분석 실험이나 분자선 실험에서는 1개 분자(또는 이온)의 질량이 측정에 영향을 미친다.

4. 1. 분자 간 인력

대부분의 물질은 분자량이 클수록 분자 간의 인력이 크며, 따라서 끓는점도 높아진다.^[12] 반데르발스 힘(혹은 분산력)을 참고.

몇 가지 화합물의 분자량과 끓는 점
화합물	분자량	끓는점(°C)
CH₄	16	-161.5
SiH₄	32	-112
H₂S	34	-61.0

유사한 구조의 화합물, 예를 들어 직쇄 알칸이나 직쇄 알코올의 경우에는 분자량이 클수록 끓는점이 높다.

4. 2. 총괄성

끓는점 오름과 어는점 내림은 몰 농도(용액의 단위 부피당 분자 수 또는 물질량)에 비례하며, 비례 상수는 분자 종류에 관계없이 일정하므로, 같은 질량 농도(용액의 단위 부피당 질량)에서는 분자량에 반비례한다. 이러한 성질은 총괄성이라고 한다.

4. 3. 기체의 음속

같은 온도와 압력의 기체에서 음속은 밀도의 -1/2 제곱에 비례한다. 즉, 이상 기체에서는 분자량의 -1/2 제곱에 비례한다.^[1]

5. 고분자의 분자량

고분자는 반복 단위의 수가 일정하지 않아 단일 분자량이 아닌 평균 분자량을 사용한다. 평균 분자량은 평균을 구하는 방법에 따라 수 평균 분자량, 무게 평균 분자량 등 다양한 종류가 있다. 평균 분자량이 같더라도 분자량 분포 형태에 따라 물성이 달라진다.

고분자의 반응이나 합성을 정량적으로 다룰 때는 반복 단위를 요소로 하는 화학식량을 사용하는 것이 더 정확하다. 즉, 고분자의 물질량은 반복 단위를 요소 입자로 지정하는 것이 적절하다.

참조

_[1] 간행물 SIbrochure9th
_[2] 서적 Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") https://doi.org/10.1[...] Blackwell Scientific Publications, Oxford
_[3] 웹사이트 Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements http://physics.nist.[...] NIST 2007-10-14
_[4] 논문 Quantitative imaging of single biological macromolecules
_[5] 논문 Quantifying the heterogeneity of macromolecular machines by mass photometry https://doi.org/10.1[...]
_[6] 논문 Quantifying protein-protein interactions by molecular counting using mass photometry
_[7] 서적 Polymer Chemistry CRC P, Boca Raton
_[8] 논문 Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications
_[9] 논문 Accurate Molecular Weight Determination of Small Molecules via DOSY-NMR by Using External Calibration Curves with Normalized Diffusion Coefficients http://goedoc.uni-go[...]
_[10] 웹사이트 IUPAC GOLD BOOK - relative molecular mass, M r http://goldbook.iupa[...] 2014-01-24
_[11] 문서 분자량
_[12] 서적 완자 화학 Ⅰ(1권) 비유와상징 2006-07-01

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