런던 분산력

3. 런던 분산력의 특징

런던 분산력은 원자나 분자 주위의 전자 분포가 시간에 따라 변동하면서 발생하는 순간적인 전기장 때문에 나타난다. 이 전기장은 근처의 다른 원자나 분자의 전자 분포를 변화시켜 서로를 끌어당기는 순간 쌍극자를 형성한다.^[3][4][5]

런던 분산력의 크기는 하마커 상수라는 매개변수로 설명된다. 원자들이 빛의 파장보다 가까이 있으면 상호작용은 순간적이며 "비지연" 하마커 상수로 설명된다. 반면, 원자들이 멀리 떨어져 있으면 변동이 다른 원자에 도달하는 데 시간이 걸리므로 "지연된" 하마커 상수를 사용해야 한다.^[3][4][5]

개별 원자와 분자 사이의 런던 분산력은 약하고 거리가 멀어짐에 따라 빠르게 감소($\backslash frac\{1\}\{R^\{6\}\}$)하지만, 액체나 고체와 같은 응축 물질에서는 여러 입자에 걸쳐 누적되어 강해진다. 이 경우 힘은 거리에 따라 더 느리게 감소($\backslash frac\{1\}\{R^\{3\}\}$)한다.^[7] 런던 분산력은 이온 결합이 없는 비극성 시스템(예: 탄화수소)이나 브로민, 아이오딘과 같이 대칭적인 분자에서 두드러지게 나타난다.

분산력은 물과 같이 작고 극성이 높은 분자를 제외하면 원자와 분자 사이의 세 가지 반 데르 발스 힘(배향력, 유도력, 분산력)보다 우세하다. 다음 표는 분산력이 총 분자간 상호작용 에너지에 기여하는 정도를 나타낸다:^[15]

런던 힘은 헬륨과 같은 중성 원자 사이에서 장거리로 작용하는 유일한 인력이며, 질소나 메테인과 같은 무극성 분자 간에 작용하는 주요 인력이다. 런던 힘이 없다면 희가스는 액체 상태로 존재할 수 없다.

원자/분자가 진공이 아닌 다른 매질(예: 수용액)에 의해 분리되면, 용매 분자와의 상호작용 때문에 분산력의 영향이 감소한다.

3. 1. 순간 쌍극자 유발

3. 2. 분자 크기 및 분극률의 영향

3. 3. 누적 효과 및 거리에 따른 변화

3. 4. 용매 효과

4. 런던 분산력의 중요성

런던 분산력은 극성 분자에도 존재하지만, 극성 분자가 갖는 영구 쌍극자의 상호 작용 등이 더 강하기 때문에 중요하지 않다. 분자 내의 전자 밀도는 다른 다극자의 영향을 받아 재분포된다. 예를 들어, 양전하 근처에는 전자가 모이고, 음전하에서는 멀어진다. 따라서 분자에 일시적으로 생기는 다극자는 근처의 극성 분자나 다른 무극성 분자에 생긴 일시적인 다극자에 의해 유도된다. 일반적으로 전자는 여기 쌍극자라고 하며, 런던 힘과는 구별된다.^[1]

런던 힘은 원자 또는 분자가 커질수록 강해진다. 이는 전자의 분포가 더욱 균일하지 않게 될 확률이 높아지기 때문이다. 예를 들어, 할로겐 분자 간의 런던 힘은 플루오린(F₂), 염소(Cl₂), 브로민(Br₂), 아이오딘(I₂) 순서로 강해진다. 이는 플루오린, 염소가 실온에서 기체인 반면, 브로민은 액체, 아이오딘은 고체인 것과도 관련이 있다. 런던 힘은 분자의 표면적이 커지면 강해지고, 따라서 분자 간 거리가 가까워진다.^[1]

4. 1. 비활성 기체의 액화

4. 2. 무극성 분자의 응집

4. 3. 생체 분자 상호작용

5. 상대적 크기

원자나 분자 주위의 전자 분포는 시간에 따라 변동한다. 이러한 변동은 순간적인 전기장을 생성하여 근처의 다른 원자나 분자의 전자를 재분포시켜 상호 간의 인력을 유발한다. 이를 흔히 순간 쌍극자의 형성으로 설명한다. 런던 분산력의 크기는 하마커 상수로 나타낸다.^[3][4][5]

개별 원자와 분자 사이의 런던 분산력은 약하고 거리에 따라 빠르게 감소($\backslash frac\{1\}\{R^\{6\}\}$)하지만, 응축 물질에서는 누적되어 훨씬 강해지고 거리에 따른 감소도 느려진다($\backslash frac\{1\}\{R^\{3\}\}$).^[6][7] 런던 분산력은 이온 결합이 없는 비극성 물질(예: 탄화수소)이나 브로민(Br₂), 아이오딘(I₂)과 같이 대칭성이 높은 분자에서 두드러지게 나타난다.

더 크고 무거운 원자와 분자는 더 강한 분산력을 나타내는데,^[8] 이는 전자 구름이 더 크고 분산되어 분극률이 증가하기 때문이다. 할로겐 원소(F₂, Cl₂, Br₂, I₂)의 분자량이 커질수록 분산력이 강해지는 경향이 이를 보여준다.^[9]

분산력은 물과 같이 작고 극성이 높은 분자를 제외하면 원자와 분자 사이의 세 가지 반 데르 발스 힘(배향력, 유도력, 분산력)보다 일반적으로 우세하다. 다음은 분산력이 총 분자간 상호작용 에너지에 기여하는 정도를 나타낸 표이다:^[15]

참조

_[1] 서적 Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Interactive e . Text John Wiley & Sons, Inc. 2000-12-05
_[2] 서적 Fundamentals of materials science and engineering : an interactive etext Wiley 2001
_[3] 간행물 Intermolecular and Surface Forces Elsevier 2011
_[4] 간행물 Working mechanisms of water reducers and superplasticizers Elsevier 2016
_[5] 간행물 The theory of molecular attractive forces between solids http://dx.doi.org/10[...] Elsevier 2022-08-29
_[6] 간행물 London dispersion in molecular chemistry — reconsidering steric effects Wiley 2015
_[7] 웹사이트 Intermolecular interactions http://www.teokem.lu[...] 2013-02-06
_[8] 웹사이트 London Dispersion Forces https://www.chem.pur[...] 2019-05-24
_[9] 문서 Schneider,Hans-Jörg Dispersive Interactions in Solution Complexes Dispersive Interactions in Solution Complexes ''Acc. Chem. Res'' 2015, 48 , 1815–1822. https://pubs.acs.org[...]
_[10] 간행물 Über das Verhältnis der van der Waalsschen Kräfte zu den homöopolaren Bindungskräften 1930
_[11] 간행물 Zur Theorie und Systematik der Molekularkräfte 1930
_[12] 간행물 The general theory of molecular forces 1937
_[13] 간행물 Molecular Theory of Gases and Liquids Wiley 1954
_[14] 서적 The Theory of Intermolecular Forces Clarendon Press 1996
_[15] 서적 Intermolecular and Surface Forces Academic Press 1992
_[16] 웹사이트 IUPAC - London forces (L03617) https://doi.org/10.1[...] IUPAC 2020-05-08
_[17] 문서 F. London, "The general theory of molecular forces", Trans. Faraday. Soc. Vol.33(1937),　p.p. 8–26
_[18] 웹인용 Chemguy Chemistry P5T8S9 https://www.youtube.[...] YouTube 2013-04-01