본문내용
1. 액체와 고체
1.1. 분자간 힘
분자간 힘은 화학에 큰 영향을 미친다. 상태 변화는 분자 내의 힘이 아니라 분자들 간의 힘이 변하기 때문에 일어나는 것이다."" 분자 내 결합은 하나의 분자 안에서 원자들이 전자를 공유하면서 결합하는 것이고, 분자간 힘은 서로 다른 분자와 분자 사이에 작용하는 힘이다.""
쌍극자-쌍극자 힘은 극성 분자가 갖는 쌍극자 모멘트로 인해 발생하는 힘으로, 공유결합이나 이온결합의 약 1% 정도로 매우 약하지만 물리적 성질에 큰 영향을 미친다. 특히 수소 결합은 전기 음성도가 큰 원소(N,O,F)에 수소가 결합되어 있는 분자 간에 존재하는 매우 강한 쌍극자-쌍극자 힘이다. 이로 인해 메탄올(CH3OH)과 에탄올(C2H5OH)이 예상보다 높은 끓는점을 나타낸다.""
또한, 런던 분산력은 모든 화학종 간에 작용하는 힘으로, 영족 기체 원자들과 비극성 분자들 사이에 작용한다. 이는 핵 주위 전자들이 순간적으로 비대칭적인 분포를 이루어 순간 쌍극자가 생기고, 이로 인해 유발 쌍극자가 만들어져 분자/원자간 인력이 발생하는 것이다. 이 편극도는 전자의 수가 많을수록 크다.""
1.2. 액체 상태
액체 상태는 고체 상태와 기체 상태의 중간적인 성질을 보인다. 액체는 압축률이 작고 딱딱하지 않으며 기체에 비해 높은 밀도를 가진다. 액체 내부의 분자들은 주변을 둘러싼 분자들에 의해 끌려 상호 작용하고 있다. 이에 반해 액체 표면의 분자들은 바로 아래와 그 옆에 있는 분자들에 의해서만 끌리게 되어, 내부 분자와의 차이로 인해 표면 분자가 내부로 끌려가면서 구형을 이루게 된다. 이러한 현상이 표면 장력을 발생시키게 된다. 즉, 액체가 그 표면적을 크게 하지 않으려 하는 성질이 표면 장력이다. 분자간 힘이 클수록 표면 장력도 크게 나타나는데, 극성 액체들이 좁은 관 속에서 쓰로 올라가거나 내려가는 모세관 현상이 바로 이러한 표면 장력에 기인한다. 액체 상태는 고체 상태와 기체 상태의 중간적인 성질을 보이며, 분자간 상호 작용에 의해 특성이 결정된다고 할 수 있다.
1.3. 고체의 종류와 구조
고체는 밀접하게 결합된 원자들로 이루어져 있어, 분자들이 자유롭게 운동하는 액체나 기체와 달리 고체 원자들은 규칙적이고 조밀한 배열을 이루고 있다"" 고체는 일반적으로 세 가지 유형으로 나눌 수 있다: 금속 고체, 이온 고체, 분자성 고체이다""
금속 고체는 금속 원자들이 서로 강하게 결합하여 이루어진 것으로, 전기 및 열 전도성이 매우 우수하고 밀도가 높은 특성을 가진다"" 금속 결정 내부의 원자들은 서로 균등하게 분포된 자유 전자에 의해 결합되어 있는데, 이를 자유 전자 모형으로 설명할 수 있다""
이온 고체는 양이온과 음이온이 정전기적 인력에 의해 결합된 것으로, 일반적으로 높은 녹는점과 경도를 가지며 전기 부도체 성질을 나타낸다"" 이온 고체의 구조는 양이온과 음이온이 조밀하게 배열된 형태를 가지며, 그 배열 방식에 따라 암염형, 방해석형, 염화아연형 등 다양한 구조를 가질 수 있다""
분자성 고체는 분자간 힘에 의해 결합된 고체로, 대부분 분자들 간 반데르발스 힘에 의해 결합되어 있다"" 분자성 고체는 일반적으로 약한 결합력으로 인해 낮은 녹는점과 끓는점을 가지며, 전기 및 열 부도체 성질을 나타낸다"" 대표적인 예로는 얼음, 황, 이산화탄소 등이 있다""
1.4. 금속의 구조와 결합
금속의 구조와 결합은 금속 물질의 다양한 특성을 설명할 수 있는 중요한 부분이다. 금속 결정 속을 돌아다니는 전자들이 금속 원자들의 최외각 원자 궤도함수들로부터 만들어진 분자 궤도함수들 속에서 이동한다는 가정에 기반한 띠모형/분자궤도함수 모형이 금속의 특성을 설명할 수 있다""
금속 결정 내부의 원자들은 정상적인 정사면체 배열을 형성하며, 서로 구별되는 개별적인 원자들이 아니라 하나의 통합된 구조체를 이루고 있다. 금속 결정 내부에서는 원자들이 가까이 붙어 있어 강한 상호작용이 일어나며, 이로 인해 금속 고유의 특성인 높은 전기전도성과 열전도성, 그리고 연성과 전성이 나타나게 된다""
금속 합금은 주 금속의 일부 원자들이 비슷한 크기를 가진 다른 금속 원자로 치환되어 형성되는데, 이를 치환형 합금이라 한다. 또한 주 금속의 틈새에 작은 원자들이 채워져 형성되는 합금을 틈새형 합금이라고 한다. 이러한 합금 형성은 주 금속의 성질을 변화시킬 수 있다""
1.5. 탄소와 규소
탄소와 규소는 그물형 원자의 고체를 형성한다. 그물형 고체는 지향성이 강한 공유 결합을 통해 형성된 거대 분자이며, 잘 부서지고 열과 전기의 부도체 특성을 보인다.
다이아몬드는 채워진 준위와 빈 준위 사이에 넓은 간격을 가지고 있어 전기 절연체이다. 각 탄소 원자는 다른 탄소 원자들과 정사면체 배열로 결합하며, sp³ 혼성 궤도 함수의 공유 결합을 형성한다. 흑연은 검고 미끄러운 전도체로, 서로 연결된 육각 고리들의 형태로 배열한 탄소 원자들의 층으로 이루어져 있다. 흑연의 탄소 원자는 sp² 혼성 궤도 함수로 결합하며, 결정의 모든 방향으로 균일한 결합을 형성한다. 그러나 층간에는 결합이 거의 없어 쉽게 미끄러질 수 있다.
세라믹은 규산염을 포함하고 있는 점토로부터 만들며, 높은 온도에서 가열하여 단단하게 만든다. 이처럼 탄소와 규소는 그물형 원자로 이루어진 고체를 형성하며, 물질의 다양한 특성을 나타낸다..
1.6. 분자성 고체
분자성 고체는 격자점에 분자들을 가지고 있는 고체이다. 분자 내에서는 강한 공유결합을 하지만 분자들 간의 힘은 비교적 약하다. 대표적인 예로는 얼음, 황, 인 등을 들 수 있다.
분자성 고체의 특징은 다음과 같다. 첫째, 분자들 사이의 인력이 약하기 때문에 대부분 녹는점과 끓는점이 낮다. 둘째, 약한 분자간 힘으로 인해 쉽게 부서지는 등 물리적 성질이 약하다. 셋째, 전기 절연체나 부도체인 경우가 많다. 넷째, 분자 구조에 따라 다양한 성질을 나타낸다. 예를 들어 얼음은 극성 분자로 이루어져 있어 강한 수소 결합을 하지만, 황은 무극성 분자로 이루어져 있어 분산력이 주된 분자간 힘이다.
분자성 고체는 분자의 성질에 따라 다양한 구조와 성질을 가진다. 특히 약한 분자간 힘으로 인해 물리적 성질이 약하고 상대적으로 낮은 녹는점과 끓는점을 갖는 것이 특징이다. 이러한 성질은 분자성 고체가 다양한 용도로 사용될 수 있게 하는 요인이 된다.
1.7. 이온성 고체
이온성 고체는 서로 반대로 하전된 이온들 사이에 작용하는 강한 정전기적 힘으로 결합된 고체이다. 이러한 고체는 일반적으로 녹는점이 높고 전기적으로 절연체 성질을 가진다.
이온성 고체의 결정 구조는 큰 크기의 음이온들이 가장 치밀하게 배열되어 있고, 그 사이의 구멍에 작은 양이온들이 채워져 있다. 음이온들의 배열 구조는 주로 육방 밀집 포장(hcp) 또는 세 방 밀집 포장(ccp) 중 하나의 배열을 이루게 된다. 그리고 작은 양이온들은 이러한 음이온들 사이의 구멍, 즉 삼각형 구멍(a), 사면체 구멍(b), 팔면체 구멍(c) 중 하나에 끼어들어가 배열된다. 이때 양이온과 음이온의 상대적 크기에 따라 어느 구멍에 들어가 배열될 것인지가 결정된다.
예를 들어 황화아연(ZnS)의 경우, Zn2+ 이온은 S2- 이온들이 이루는 사면체 구멍에 배열되어 있고, 염화나트륨(NaCl)의 경우 Na+ 이온은 Cl- 이온들이 이루는 팔면체 구멍에 배열되어 있다. 이러한 이온성 결정 구조는 구성 이온들 간의 강한 정전기적 인력 때문에 매우 안정적이며, 녹는점과 끓는점이...
