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안녕하세요, 국내최초 접촉각측정기
(Contac Angle Meter) 제조업체,
㈜에스이오 입니다.
저희 ㈜에스이오에서는
국내 표면 및 계면, 접착분석
기술분야를 선도하며 회사의 접촉각측정기,
표면장력측정기 외에도 다양한 정보를
제공 드리고 있는데요.
오늘은 표면에너지, 표면장력 습득 시
유용한 정보가 될 수 있는
응집력, 부착력, 분자 사이의
이차결합에 대한 정보를 정리해보았습니다.
그럼 바로 시작해볼까요? ^^
[응집력 및 부착력과 분자 사이의 이차결합]
화학 및 물리학에서 "부착력 (부착일, Work of adhesion) "은 그림 1에서와 같이 다른 유형의 분자들 사이의 인력을 말하고, 대조적으로 "응집력 (응집일, Work of cohesion) "은 동일한 유형의 분자들 사이의 인력을 말한다. 상호 섞이지 않는 두 물질 사이의 부착일은
Wa = W12 = γ1 + γ2 – γ12 또는 γ12 = γ1 + γ2 – Wa
이고, 한 물질 사이의 응집일은
Wc = W11 = γ1 + γ1 – 0 = 2 γ1
이다. 따라서 부착일과 응집일 사이의 관계는
γ12 = 0.5(Wc1 + Wc2) – Wa
가 되며, 표면장력 (표면에너지)에 대한 이해를 높이기 위해서
분자들 사이의 부착력 및 응집력 에 대해서 좀 더 자세히 살펴볼 필요가 있다.
분자들 사이에 작용하는 인력을 이차결합이라 하며, 여기에는 수소결합, 쌍극자 결합, 극성-이온 결합 및 반데르발스 결합 등이 있고, 표면에너지는 이 결합들에 의해서 결정된다.
그런데 이 이차결합들은 원자들 간의 화학결합인 일차결합, 즉 공유결합, 배위결합, 이온결합, 금속결합 등의 전자배치부터 기인하는 힘들이, 특히 공유결합을 잘 이해해야 한다.
또한 이 용어들과 친숙해지는 것은 나중에 표면 에너지를 구성하는 성분들 (예를 들어, 분산 성분, 극성 성분, 산-염기 성분, 수소결합 성분 등)을 이해하는데 도움이 될 것이므로 좀 더 깊이 있게 설명하고자 한다.
모든 결합력은 근본적으로 전자기적인 현상으로 물질이 전기적으로 전하를 띤 입자들로 이루어져 있기 때문에 발생한다. 이 결합력들이 긍극적으로는 같은 근원에서 나오고 있지만, 각 결합력 사이에는 결합력의 세기 및 결합거리 그리고 결합의 방향성 면에서 근본적으로 차이가 있다.
일차 공유결합은 분자내 (intramolecular)에 작용하는 인력으로 결합력이 크고, 결합거리가 짧으며, 결합의 방향성이 있다.
이에 반해서, 이차결합들은 분자간 (intermolecular)에 작용하는 인력으로 일차 공유결합에 비해서 결합력은 훨씬 약하고, 결합거리는 길며, 결합의 방향성이 없다.
예를 들어서, Cl-Cl 사이의 공유결합을 끊기 위해서는 약 57 kcal/mol의 에너지가 필요한데 반해, Ar-Ar 사이의 반데르발스 결합을 끊기 위해서는 0.3 kcal/mol 정도의 에너지만 있어도 충분하다.
Cl-Cl 사이의 결합거리는 1.99Å으로 매우 짧으며, Ar-Ar 사이의 작용거 리는 6Å 이상까지 작용한다.
그리고 공유결합은 핵과 핵을 축으로 하는 방향으로 결합력이 작용하지만, 분자간 결합에서는 한 분자 주위에 위치하고 있는 모든 분자들 방향으로 결합력이 작용하게 된다.
공유결합 (covalent bond)이란 결합에 관여하는 각 원자가 같은 수의 원자가 전자를 내놓고, 이것을 두 원자가 공유함으로써 이루어지는 결합을 말한다. 전자들이 두 핵 사이에 존재하며, 핵과 전자 사이의 인력에 의해 결합력이 유지된다. 공유결합을 형성하는 두 개의 원자가 동등하게 전자쌍을 공유할 때 이 결합을 비극성 공유결합 (nonpolar bond)이라고 하며, 전기 음성도가 다른 두 원자 사이에 공유결합이 이루어질 때는 공유 전자쌍이 전기 음성도가 큰 원자 쪽으로 치우치게 되는데 이 결합을 극성 공유결합 (polar bond)라고 한다(그림 2)
극성 공유결합에서 두 원자간의 전기 음성도 차이가 클수록 한쪽으로 더 치우치게 되며, 극단적인 경우에는 한쪽으로 완전히 끌려오게 되며, 이것이 이온 결합이다. 즉, 극성 공유결합이란 비극성 공유결합과 이온결합의 성질을 동시에 가지고 있으며, 이것을 표현하기 위해서 쌍극자 모멘트, δ를 사용하고, 또한 퍼센트 이온성을 사용하기도 한다. 순수한 비극성 공유결합에서 δ=0이고, 순수한 이온 화합물에서 δ=1이다. 표 1에 이원자 분자의 퍼센트 이온성을 나타내었다.
H2에서와 같이 동종 이원자 사이에 공유결합이 이루어질 때에는 전자쌍을 끌어당기는 힘이 같기 때문에 순수한 비극성 공유결합을 한다. 그러나, 이종 원자 사이에 공유결합이 이루어질 때는 전기 음성도의 차이로 인해서 이온성을 가지게 되며, 전자를 많이 끌어당긴 원자는 음(-)으로 하전되고, 반대쪽 원자는 양(+)으로 하전된다. 예를 들어서, HCl에서 Cl 원자는 음(-)으로 하전되고 H 원자는 양(+)으로 하전된다. 또한, HCl은 전자의 치우침 정도가 크기 때문에 공유결합 화합물임에도 이온 화합물에서와 같이 물에 용해되어 해리가 일어난다. 이온 화합물로 알려진 NaCl, KCl, LiF, NaF 등의 이온성 퍼센트도 100%가 아니라는 점에도 주의하기 바란다.
삼원자 이상의 분자들에서도 같은 원리로 설명할 수 있다. 즉, 한 분자 내에는 두 개 이상의 원자가 결합된 원자들도 있기 때문에 결합된 원자의 종류 및 개수에 따라 전자 분포가 영향을 받게 된다. 예를 들어, 그림 3의 에테르 분자 구조식에서 산소 원자는 두 개의 탄소의 전자를 끌어당겨서 음(-)으로 하전되고 탄소 원자들은 양(+)으로 하전된다.
앞에서 살펴보았듯이 표면장력은 분자들 사이에 작용하는 이차결합 (쌍극자 결합, 수소결합, 극성-이온 결합 및 반데르발스 결합 등)의 크기에 의해 영향을 받는다.
쌍극자간의 결합 (dipole interaction)이란 그림 4에서와 같이 두 개의 극성분자가 배향함에 의해서 정전기적으로 작용하는 인력을 말한다. 전기 음성도가 큰 원자가 음(-)으로 하전되고, 전기음성도가 작은 원자가 양으로 하전되어 있으며, 이웃 분자들과 정전기적 인력이 작용하기에 용이하게 배향되어 있는 것을 알 수 있다. 예를 들어서 HCl이 물에 녹아 있는 경우, H-Cl 분자에서는 Cl이 음으로 하전되고, H가 양으로 하전되며, 물에서는 O가 음으로 하전되고, H가 양으로 하전되게 된다. 따라서 물과 HCl, 물과 물 및 HCl과 HCl 사이에 쌍극자 결합이 이루어지게 된다. (물과 물 사이의 쌍극자 결합은 더 세분화하면 다음에 설명하게 될 수소결합에 해당된다.)
수소결합(hydrogen bond)은 쌍극자간의 결합의 특이한 유형이다. 불소, 산소, 질소원자와 공유결합을 하고 있는 수소원자가 또 다른 불소, 산소, 질소 원자와 정전기적 인력에 의해서 상호작용할 때 수소결합이 형성된다. 그림 5의 수소결합 예에서 보듯이 O-H, N-H 또는 F-H 사이의 극성 공유결합에서 H원자는 부분적으로 양(+)하전 되고, 전기음성도가 큰 다른 원소들은 음(-)하전된다. 양(+)하전 된 수소원자는 다른 분자의 음(-)하전 된 불소, 산소, 질소원자에 끌리게 되며, 이때 강한 수소결합이 형성된다. 수소결합이 다른 쌍극자 간의 결합보다 강한 이유는 다음 두 가지로 설명된다. 첫째로 수소원자는 최외각 전자 외에는 없기 때문에 수소 핵이 불소, 산소, 질소 원자 위의 고립 전자쌍에 가까이 접근할 수 있으며, 둘째로 접근한 수소원자가 두 번째 원자의 전자분포를 변화시킴으로서 수소원자와 두 번째 원자 사이에 약한 공유결합이 형성되기 때문이다.
가장 약한 결합인 반데르발스 (van der Waals) 결합은 비극성 분자 사이에 작용하는 인력이다. 분자 내에서 전자들은 고정되어 있지 않고 계속해서 운동을 하기 때문에 전하의 분포는 그 정도는 미약할지라도 계속해서 변하게 되며, 그림 6a에서와 같이 순간적으로 미소한 크기의 쌍극자가 형성된다. 이들 쌍극자들이 그림 6b에서와 같이 분자의 표면에 배열함으로써 반데르발스 인력이 작용하게 된다.
한 종류의 분자들 사이에서도 이상에서 설명한 다양한 이차결합들이 복합적으로 작용하며, 두 종류 이상의 분자들이 균일하게 혼합되어 있는 경우에도 이차결합들이 복합적으로 작용함으로써 표면에너지에 영향을 미치게 되는 것이다.
여기까지 응집력, 부착력과
분자 사이의 이차결합에 대한
정보들을 제공 드렸는데요.
보다 수월하게 이해하시는 데
도움이 되었으면 하는 바람을 가져봅니다. ^^
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감사합니다.
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