분자간 힘

3. 분자간 힘의 상대적 세기

분자간 힘의 세기는 일반적으로 이온 결합 > 수소 결합 > 쌍극자-쌍극자 상호작용 > 반 데르 발스 힘(런던 분산력) 순서로 약해진다.^[39][40][41] 그러나 이 비교는 대략적인 것이며, 실제 상대적인 세기는 관련된 분자에 따라 달라진다.^[15][16][17] 예를 들어, 물의 존재는 이온 결합과 수소 결합 모두의 세기를 크게 약화시키는 경쟁적인 상호작용을 만든다.^[18] 일반적으로 이온 결합과 공유 결합은 주어진 물질에서 분자간 힘보다 항상 더 강하다.^[19]

수소 결합은 극단적인 쌍극자-쌍극자 상호작용의 한 형태로, 높은 전기 음성도를 가진 원소(일반적으로 질소, 산소, 또는 플루오린)에 결합된 수소 원자 사이의 인력을 말한다.^[4] 수소 결합은 강한 정전기적 쌍극자-쌍극자 상호 작용으로 설명되지만, 공유 결합의 특징도 일부 가지고 있다. 즉, 방향성을 가지며, 반데르발스 힘 상호 작용보다 강하고, 반데르발스 반지름의 합보다 짧은 원자간 거리를 생성하며, 제한된 수의 상호 작용 파트너를 포함한다.^[5]

물 분자는 산소 원자의 두 개의 비공유 전자쌍이 각각 수소와 상호 작용하여 두 개의 추가적인 수소 결합을 형성한다. 분자간 수소 결합은 물(100 °C)의 높은 끓는점을 만드는 데 기여한다. 분자내 수소 결합은 단백질과 핵산의 2차 구조, 3차 구조, 4차 구조에 부분적으로 기여하며, 고분자의 구조에도 중요한 역할을 한다.

이러한 힘들은 모두 정전기적 상호작용에 기반한 인력이다. 이온 결합, 수소 결합, 쌍극자-쌍극자 상호작용은 영구적인 양전하와 음전하의 전기 쌍극자에 의해 발생하지만, 반데르발스 힘은 전하의 유도나 양자역학적인 요동에 의해 발생한 일시적인 전기 쌍극자에 의해 발생한다.

매우 대략적으로 힘의 크기를 비교하면 다음과 같다.

• 이온 결합: 1000
• 수소 결합: 100
• 쌍극자-쌍극자 상호작용: 10
• 런던 분산력: 1

4. 분자간 힘과 기체의 행동

분자간 힘은 짧은 거리에서는 반발력으로, 긴 거리에서는 인력으로 작용한다(레너드-존스 퍼텐셜 참조).^[20][21] 기체에서 반발력은 주로 두 분자가 같은 부피를 차지하는 것을 막는 역할을 한다. 이 때문에 실제 기체는 같은 온도와 압력에서 이상 기체보다 더 큰 부피를 차지하려는 경향이 있다. 반면 인력은 분자들을 서로 가깝게 끌어당겨 실제 기체가 이상 기체보다 더 작은 부피를 차지하려는 경향을 보이게 한다. 어떤 상호작용이 더 중요한지는 온도와 압력에 따라 달라진다(압축인자 참조).

기체에서는 분자 간 거리가 일반적으로 크기 때문에 분자간 힘의 영향은 작다. 인력은 반발력이 아니라 분자의 열에너지에 의해 극복된다. 온도는 열에너지를 측정하는 값이므로, 온도가 증가하면 인력의 영향이 감소한다. 반대로, 반발력의 영향은 온도에 거의 영향을 받지 않는다.

기체를 압축하여 밀도를 높이면 인력의 영향이 커진다. 기체의 밀도가 충분히 높아지면 인력이 분자들을 분산시키려는 열 운동의 경향을 극복할 만큼 커질 수 있다. 그러면 기체는 응축되어 고체나 액체, 즉 응축상을 형성할 수 있다. 낮은 온도는 응축상의 형성을 돕는다. 응축상에서는 인력과 반발력 사이에 거의 균형이 이루어진다.

5. 분자간 힘의 양자역학적 이론

원자와 분자 사이에서 관찰되는 분자간 힘은 영구 및 순간적인 쌍극자 사이에서 발생하는 것으로 현상적으로 설명될 수 있다. 또는, 수소 결합^[22], 반데르발스 힘^[23] 및 쌍극자-쌍극자 상호작용과 같은 다양한 유형의 상호작용을 설명할 수 있는 근본적이고 통합적인 이론을 찾을 수 있다. 일반적으로 이는 양자역학의 개념을 분자에 적용하여 수행되며, 레일리-슈뢰딩거(Rayleigh–Schrödinger) 섭동 이론이 이러한 측면에서 특히 효과적이었다. 기존의 양자화학 방법에 적용될 때, 분자간 상호작용에 대한 이러한 양자역학적 설명은 분자간 상호작용을 분석하는 데 사용할 수 있는 다양한 근사 방법을 제공한다.^[24] 양자화학에서 찾을 수 있는 이러한 종류의 분자간 상호작용을 시각화하는 데 가장 유용한 방법 중 하나는 시스템의 전자 밀도를 기반으로 하는 비공유 결합 상호작용 지수(NCI)이다. 런던 분산력이 이에 큰 역할을 한다.

전자 밀도 위상에 관해서는, 최근에 전자 밀도 기울기 방법을 기반으로 하는 새로운 방법들이 등장했는데, 특히 IGM(Independent Gradient Model) 방법론을 기반으로 하는 IBSI(Intrinsic Bond Strength Index)^[25]의 개발이 주목할 만하다.^[26][27][28]

참조

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_[2] 서적 Theory of Intermolecular Forces Pergamon Press 1969
_[3] 웹사이트 Biochemistry and Molecular Biology - Paperback - Despo Papachristodoulou, Alison Snape, William H. Elliott, Daphne C. Elliott - Oxford University Press https://global.oup.c[...] 2024-01-04
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_[10] 논문 Theoretical models for surface forces and adhesion and their measurement using atomic force microscopy 2012-10-01
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_[19] 논문 Conformational proofreading: the impact of conformational changes on the specificity of molecular recognition 2007-05-01
_[20] 논문 On the history of key empirical intermolecular potentials 2023-10-01
_[21] 논문 On the History of the Lennard-Jones Potential https://onlinelibrar[...] 2024-06-01
_[22] 논문 Definition of the hydrogen bond (IUPAC Recommendations 2011) 2011-07-08
_[23] 서적 Electrodynamics of Continuous Media https://archive.org/[...] Pergamon 1960
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_[26] 논문 Accurately extracting the signature of intermolecular interactions present in the NCI plot of the reduced density gradient versus electron density https://hal.univ-rei[...] 2017-07-01
_[27] 논문 The Independent Gradient Model: A New Approach for Probing Strong and Weak Interactions in Molecules from Wave Function Calculations https://hal.univ-rei[...] 2018-03-01
_[28] 논문 Atomic Decomposition Scheme of Noncovalent Interactions Applied to Host-Guest Assemblies 2020-01-01
_[29] 문서 양자역학적 전자의 흔들림이 로돈 분산력이며, 장의 흔들림에 의한 인력이 카시미르 효과이다.
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