1기압에서 순수한 물은 100℃에서 끓는다. 아래 보기항은 물의 끓는점을 높이기 위한 여러가지 제안이다. 이들 중 옳은 것은?
- 감압하에 끓인다.
- 메틸에테르를 가한다.
- 물을 저으면서 끓인다.
- 밀폐한 그릇에서 끓인다.
정답과 해설 보기
정답 ④ · 끓는점은 외부 압력이 높을수록 상승한다. 밀폐된 그릇에서 끓이면 내부 압력이 증가하여 끓는점이 높아진다.
액체의 끓는점은 외부 압력이 높아질수록 상승하므로, 밀폐 용기를 이용해 압력을 높여야 한다.
개념 한 쪽
화학분석기능사 분자간의 힘 — 분산력·반데르발스힘·용해도 관점
분자간의 힘은 분자들 사이에 작용하는 약한 인력으로, 화학결합과 구별되는 물리적 상호작용을 뜻한다. 분자간 힘의 종류와 크기는 물질의 용해도·끓는점·물리적 성질에 직접적인 영향을 준다. 문제 유형은 분자간력과 원자간 결합의 강약 구별, 분산력 비교, 용매 혼화성 판단, 용액의 끓는점 변화 계산 등으로 나뉜다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「분자간의 힘」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 끓는점과 압력 관계 판단 | 1 | 외부 압력 변화에 따른 끓는점 변화 원리 파악 |
| 끓는점 오름 계산 | 1 | 몰랄농도와 몰랄오름상수로 용액의 끓는점 계산 |
| 물과의 용해도 비교 | 1 | 극성 대 비극성 판단으로 용해도 크기 판단 |
뜻
원자 간의 공유결합·이온결합·금속결합은 원자들 사이에서 전자 공유·전하 상호작용·자유전자의 바다와 같이 강한 결합을 형성하는 반면, 분자간의 힘은 분자들 사이에서 작용하는 비교적 약한 인력이다. 이 차이로 인해 분자간의 힘은 결합 에너지가 현저히 작아 물질의 상전이와 용해도 등에서 약한 영향력을 발휘한다.
분산력(반데르발스힘)은 비극성 분자 사이에 나타나는 일시적 쌍극자 유도로 생기는 인력이며, 분자의 전자 수나 분자량이 클수록 분산력이 커진다. 따라서 동일 계열의 물질에서는 분자량이 큰 쪽이 분산력이 크고, 이에 따라 끓는점이나 응집성 등이 증가한다는 판단을 할 수 있다.
수소결합 등 극성 상호작용은 물과 같은 극성 용매에서 용해도와 강한 관련을 가진다. 극성 분자나 수소결합 형성 능력이 있는 분자는 물에 잘 녹고, 비극성 분자는 물에 잘 녹지 않으므로 용매 혼화성 문제에서는 극성의 유사성을 기준으로 판단한다.
분자간의 힘 관련 문제에서는 '원자 간 결합(강) 대 분자 간 인력(약)'의 구분, 분산력은 분자량·전자수에 비례한다는 점, 그리고 용매의 극성 일치 여부로 용해도를 예측하는 세 가지 원리를 우선 적용한다.
예제
대표 계산 예로 비전해질 용질의 끓는점 오름 문제를 다룬다. 설탕 2.85g(분자량 342)이 25.0g의 물에 녹아 있을 때 몰수를 구하면 2.85/342≈0.00833mol이다. 몰랄농도는 용질 몰수(0.00833mol)를 용매 질량 kg(0.025kg)으로 나누어 약 0.333mol/kg이 된다. 끓는점 오름량 ΔTb는 몰랄오름상수 0.513×0.333≈0.171℃이므로 최종 끓는점은 약 100.2℃가 된다.
약한 결합을 묻는 유형 예에서는 공유·이온·금속결합은 원자 간 강한 결합으로 소거하고, 분자 간 인력인 반데르발스결합을 정답으로 선택한다. 용해도 비교 예에서는 물은 극성 용매이므로 HCl·NH3·HF처럼 극성 또는 수소결합을 할 수 있는 물질은 용해도가 크고, CO2처럼 비극성인 물질은 용해도가 작다는 원리를 적용한다.
대표 기출 3문항
25.0g의 물 속에 2.85g의 설탕(분자량 : 342)이 녹아있는 용액의 끓는점은 약 몇 ℃ 인가? (단, 물의 분자 상승(몰오름)은 0.513)
- 102.2
- 101.2
- 100.2
- 103.2
정답과 해설 보기
정답 ③ · 몰랄농도 m = (2.85g/342g·mol⁻¹) ÷ 0.025kg = 0.00833mol ÷ 0.025kg ≈ 0.333mol/kg이다. 끓는점 오름 ΔTb = Kb×m = 0.513×0.333 ≈ 0.171℃이므로 끓는점은 100+0.171≈100.2℃가 된다.
끓는점 오름 공식 ΔTb=Kb×m을 이용해 몰랄농도를 구한 후 순수한 물의 끓는점 100℃에 더한다.
다음 중 물에 대한 용해도가 가장 작은 것은?
- HCl
- NH3
- CO2
- HF
정답과 해설 보기
정답 ③ · HCl, NH3, HF는 극성이 강하고 물과 수소결합 또는 이온화가 잘 되어 물에 매우 잘 녹지만, CO2는 비극성에 가깝고 물과의 반응성이 낮아 상대적으로 용해도가 훨씬 작다. 따라서 물에 대한 용해도가 가장 작은 것은 3번 CO2이다.
극성 분자는 물에 잘 녹고, 비극성 분자는 물에 잘 안 녹는다.
자주 묻는 물음
- 분자간의 힘과 원자간 결합은 어떻게 구분하나?
- 원자간 결합은 원자 자체의 전자 공유·전하 상호작용으로 강한 결합을 형성하고, 분자간의 힘은 분자들 사이에 작용하는 약한 물리적 인력으로 결합 에너지가 훨씬 작아 물성에 약한 영향을 준다.
- 분산력은 무엇에 따라 달라지나?
- 분산력은 분자의 전자 수와 분자량이 클수록 커진다. 전자 구름이 크고 왜곡이 쉬운 분자가 더 강한 분산력을 가지므로, 같은 계열에서는 분자량이 큰 물질이 분산력이 가장 크다.
- 용매 혼화성은 어떻게 빠르게 판단하나?
- 극성 용매는 극성 물질과, 비극성 용매는 비극성 물질과 잘 섞인다는 원칙으로 판단한다. 물은 대표적인 극성 용매이므로 벤젠·석유와는 섞이지 않고, 벤젠과 석유는 서로 잘 섞인다는 점을 적용한다.
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