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17족 할로젠 원소들이 상온에서 존재하는 형태가 다른 것은 그 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 17족 할로젠 원소들은 모두 이원자 분자(F₂, Cl₂, Br₂, I₂)로 존재하지만, 상온에서 각각 기체, 액체, 고체로 다른 물리적 상태를 보이는데요 이러한 차이는 분자 간 작용하는 분자 간 인력 중에서도 반데르발스 힘, 즉 London 분산력의 크기가 원소의 크기와 전자 수에 따라 달라지기 때문입니다.할로젠 분자는 모두 비극성 공유 결합 분자이므로 분자 간 결합력이 강한 쌍극자-쌍극자 힘이 아니라, 순간적인 전하 분포의 불균형에 의해 발생하는 London 분산력이 주된 인력이 되는데요, 우선 F₂(플루오린), Cl₂(염소)와 같은 경우에는 상대적으로 작은 분자이고 전자 수가 적어 분산력이 매우 약하기 때문에 분자 간 인력이 거의 작용하지 않기 때문에 따라서 상온에서 쉽게 기체 상태로 존재합니다. 다음으로 Br₂(브로민)는 전자 수가 늘어나고 원자 크기가 커져서 분산력이 커지므로 분자 간 인력이 상대적으로 강해지며 이로 인해 상온에서 액체로 존재합니다. 마지막으로 I₂(아이오딘)은 가장 큰 원자 반지름과 전자 수를 가져 분산력이 매우 강하므로 분자들이 서로 강하게 끌어당겨 단단한 결정 구조를 형성하고, 상온에서는 고체로 존재하게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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분자 궤도함수 이론(MO 이론)이 루이스 구조보다 더 적합한 사례는 어떤 경우인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 분자 구조는 루이스 구조로도 설명 가능하고, 분자 궤도함수 이론으로도 설명할 수 있는데요, 우선 루이스 구조는 전자쌍의 공유와 옥텟 규칙을 기반으로 화학 결합을 단순하게 설명할 수 있어 직관적이고 유용하지만, 전자 배치가 더 복잡한 경우나 자기적 성질·분광학적 성질을 설명할 때에는 한계가 있습니다. 분자 궤도 함수 이론으로 설명 가능한 대표적인 특성이 자기적 성질인데요, 루이스 구조로는 산소 분자가 왜 자석에 끌리는 상자성을 보이는지 설명할 수 없습니다. 하지만 MO 이론으로는 반결합성 궤도에 홀전자 두 개가 존재함을 알 수 있고, 이것이 상자성의 원인임을 명확하게 설명할 수 있습니다. 또한 결합 차수와 결합 세기의 미묘한 차이를 설명할 때 유용한데요, 예를 들어, O2, O2+, O2- 같은 분자 이온들의 결합 길이와 안정성은 루이스 구조로는 구체적으로 예측하기 어렵지만, 그러나 MO 이론을 적용하면 전자의 채워짐 상태에 따라 결합 차수를 정량적으로 계산할 수 있고, 따라서 결합 길이와 세기를 비교적 정확히 설명할 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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고체 상태에서 이온 결합물의 전기 전도성이 액체 상태나 수용액 상태와 다른 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 고체 상태의 NaCl에서는 양이온(Na⁺)과 음이온(Cl⁻)이 강한 정전기적 인력으로 3차원 격자 구조를 이루며 고정되어 있는데요, 이 상태에서는 이온들이 제자리에 단단히 묶여 있어 전자가 자유롭게 이동하는 금속과 달리 전하를 운반할 수 있는 입자가 움직이지 못합니다. 따라서 고체 상태의 이온 결합물은 전기를 전도하지 않습니다. 반면에 NaCl이 녹아서 액체 상태의 융해염이 되거나 물에 녹아 수용액을 형성하면, 격자가 무너지고 양이온과 음이온이 자유롭게 움직일 수 있게 되며, 이때 전극 사이에서 전기장을 가하면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하여 전류를 운반합니다. 즉, 이온의 자유로운 이동이 가능해지기 때문에 액체 상태나 수용액 상태에서는 전기 전도성을 갖게 되는 것입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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반데르발스 힘은 어떤 상황에서 분자의 성질을 결정하는 중요한 요인이 되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 반데르발스 힘은 분자 간에 작용하는 약한 상호작용으로, 극성 분자든 비극성 분자든 항상 존재하지만 그 크기가 상대적으로 작기 때문에 보통은 무시되지만 특정한 상황에서는 이 작은 힘이 분자의 물리적 성질을 결정짓는 중요한 요인이 되기도 합니다. 우선 비극성 분자나 원자들로 이루어진 물질에서는 반데르발스 힘이 사실상 유일한 분자 간 인력인데요, 예를 들어 헬륨, 네온, 아르곤 같은 비극성 분자들은 공유 결합으로 이루어진 안정한 분자이지만 서로 간에 끌어당기는 힘은 반데르발스 힘뿐이기 때문에, 따라서 이 힘이 끓는점, 녹는점, 응집력 같은 물리적 성질을 결정하는 주요 요인으로 작용합니다.또한 분자의 크기가 커질수록 반데르발스 힘이 강해져 물질의 성질에 큰 영향을 주는데요, 전자가 많고 전자 구름이 쉽게 변형되는 분자일수록 순간적인 쌍극자가 잘 생겨 분자 간 인력이 커집니다. 그래서 메탄은 기체이지만, 같은 탄소 사슬이 길어지면 프로판, 부탄을 지나 헥산, 옥탄은 액체가 되고 파라핀 같은 고분자는 고체가 되는 것이며 이는 모두 반데르발스 힘이 분자 크기와 전자 수에 비례해 커지기 때문입니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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π 결합과 σ 결합은 어떤 점에서 다르며, 분자의 화학적 반응성에 어떤 영향을 주나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 화학 결합은 크게 σ 결합과 π 결합으로 나뉩니다. σ 결합은 원자 오비탈이 두 원자핵을 연결하는 축을 따라 정면으로 겹쳐져 형성된 결합으로, 전자 밀도가 핵과 핵 사이의 직선상에 집중되어 있는데요, 이 때문에 σ 결합은 가장 강하고 안정적인 공유 결합이며, 모든 단일 결합은 σ 결합으로 이루어져 있습니다. 반면 π 결합은 평행한 p 오비탈이 옆으로 겹쳐져서 형성되는 결합으로, 전자 밀도가 핵-핵 연결축 위가 아니라 축의 위와 아래에 분포하며, 따라서 π 결합은 σ 결합에 비해 겹침 정도가 약하고 상대적으로 결합 에너지가 작아 쉽게 끊어질 수 있습니다.이러한 구조적 차이는 화학 반응성에도 큰 영향을 주게 되는데요, 우선 σ 결합은 안정적이어서 일반적인 화학 반응에서 잘 끊어지지 않지만, π 결합은 전자 구름이 바깥쪽으로 퍼져 있어 전기화학적 공격을 더 잘 받습니다. 예를 들어, 알켄이나 알카인의 이중 결합, 삼중 결합에서 π 전자는 친전자체의 공격을 쉽게 받아 첨가 반응이 일어나는데, 이는 σ 전자보다 π 전자가 에너지가 높고 외부와 상호작용하기 쉽기 때문입니다. 또한 π 결합은 전자의 비편재화를 가능하게 하여 분자의 안정성에도 영향을 주는데요, 벤젠과 같은 방향족 화합물에서 π 전자가 고리 전체에 퍼져 있는 것은 화학적 안정성을 높이고 특이한 반응성을 결정짓는 요인이 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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공명 구조가 존재하는 분자에서 실제 전자 배치는 어떻게 나타나나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 공명 구조는 특정한 분자를 하나의 루이스 구조로는 완전히 설명할 수 없을 때 사용하는 개념으로, 실제 전자 배치는 단일 구조와는 다르게 나타나게 되는데요, 우선 공명 구조라는 것은 실제로 분자가 빠르게 형태를 바꾼다는 의미가 아니라, 우리가 그릴 수 있는 여러 개의 루이스 구조가 모두 부분적으로 기여하여 실제 분자의 전자 배치를 설명한다는 뜻입니다. 따라서 실제 전자 배치는 여러 공명 구조의 혼합인 공명혼성체로 나타나며, 이때 각 구조가 기여하는 정도는 안정성에 따라 다릅니다.예를 들어서 대표적인 공명혼성체인 벤젠(C₆H₆)의 경우에 벤젠의 루이스 구조를 그리면, 교대로 단일 결합과 이중 결합이 배치된 두 가지 구조가 가능한데요, 그러나 실제 벤젠에서는 특정한 두 개의 구조가 교대로 바뀌는 것이 아니라, 모든 C–C 결합이 동일한 길이를 가지며, 단일 결합과 이중 결합의 중간 성격을 띱니다. 즉, π 전자가 고정된 특정 결합에만 존재하는 것이 아니라, 육각 고리 전체에 걸쳐 비편재화되어 퍼져 있는 것입니다. 즉, 실제 전자 배치는 공명 구조 중 어느 하나가 아니라, 모든 가능한 공명 구조가 기여한 혼성 상태라고 보시면 되며 전자는 특정 결합에 국한되지 않고 분자 내에서 퍼져 있으며, 이를 통해 분자가 더 큰 안정성을 얻게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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옥텟 규칙에 따르지 않는 분자들의 예시는 무엇이며, 왜 규칙에서 벗어날 수 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 옥텟 규칙은 많은 분자들의 안정성을 잘 설명해 주지만, 실제로는 모든 화합물이 이를 따르지 않는데요 이는 원자의 전자 배치, 궤도함수의 성질, 그리고 결합 형성 시의 에너지적 유리함에 따라 달라지는 것입니다. 우선은 옥텟을 채우지 못하는 경우가 있는데요, 중심 원자가 전자를 충분히 얻지 못해 8개를 채우지 못하는 경우로 대표적인 예시로는 BF₃가 있습니다. 붕소는 원자가 전자가 3개라서 공유 결합을 통해 최대로 얻을 수 있는 전자가 6개뿐인데요, 이 경우 붕소는 전자 부족 상태로 남게 되며, 이러한 화합물은 종종 강한 루이스 산으로 작용합니다. 반면에 확장형 옥텟 분자가 있는데요, 이는 옥텟을 초과하는 경우입니다. 주로 주기 3 이상의 원소에서 나타나는데요, 이들은 d 오비탈이 비어 있어 추가적인 전자를 수용할 수 있기 때문에 최외각 전자가 8개를 넘어갈 수 있습니다. 대표적인 예시로는 SF₆가 있는데요, 황 원자가 총 12개의 전자를 둘러싸고 있으며, 이러한 경우는 결합 형성 시 더 많은 전자를 공유하는 것이 전체 분자의 안정성 측면에서 유리하기 때문에 나타나는 것입니다. 마지막으로는 분자 자체가 전자 수가 홀수여서 모든 원자가 8개를 채울 수 없는 경우가 있는데요, 대표적인 예시로는 NO와 같은 일산화질소가 있으며, 이들은 전자 수가 홀수여서 한 원자는 반드시 7개 전자만 갖게 되고, 이러한 분자는 매우 반응성이 크고 종종 라디칼 반응에 관여합니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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결합 에너지가 큰 결합일수록 화학 반응에서 어떤 특징을 보이나요?
안녕하세요. 네, 질문주신 사항에 대해 답변 드리자면 화학 결합에서 결합 에너지는 해당 결합을 끊는 데 필요한 에너지의 크기를 의미하며, 이는 곧 그 결합의 안정성을 반영하는데요, 우선 결합 에너지가 클 수록 결합이 잘 끊어지지 않아 반응성이 낮습니다. 예를 들어 N≡N(질소 분자)의 삼중 결합은 결합 에너지가 매우 크기 때문에 상온에서는 거의 반응하지 않고, 질소 고정을 위해서는 번개나 질소 고정 효소 같은 특별한 조건이 필요합니다. 반대로 결합 에너지가 작은 결합은 상대적으로 쉽게 끊어지고 새로운 결합으로 전환되므로 반응성이 큽니다. 또한 활성화 에너지와 반응 속도에 영향을 주는데요, 결합 에너지가 큰 경우에는 반응을 개시하기 위해 더 많은 에너지를 공급해야 하므로 활성화 에너지가 높아지고, 그 결과 반응 속도가 느려집니다.다음으로 산성도와의 관련성을 보면, 산성도는 결국 한 분자가 수소 이온(H⁺)을 얼마나 잘 내놓을 수 있는지, 즉 H–X 결합이 얼마나 쉽게 끊어지는지와 관련이 있는데요, H–X 결합 에너지가 작을수록 H⁺가 쉽게 떨어져 나와 산성도가 커집니다. 예를 들어, H–F 결합은 결합 에너지가 커서 H⁺가 쉽게 떨어지지 않기 때문에 HF는 생각보다 강산이 아니고, 오히려 H–I 결합은 약해서 H⁺가 쉽게 떨어져 HI는 매우 강한 산이 되는 것인데요 즉, 산의 세기는 H–X 결합 에너지와 역관계에 있다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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다이아몬드와 흑연이 모두 탄소로만 이루어져 있는데, 결합 구조 차이로 인해 성질이 어떻게 달라지나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 다이아몬드와 흑연은 모두 탄소 원자만으로 이루어진 동소체이지만, 탄소 원자들이 어떤 방식으로 결합하느냐에 따라 전혀 다른 성질을 보이게 됩니다.다이아몬드는 각 탄소 원자가 sp³ 혼성 궤도를 이용해 4개의 다른 탄소와 강한 공유 결합을 형성하며, 이 결합이 3차원적으로 끝없이 이어진 거대한 격자를 만드는데요, 따라서 모든 결합이 등방적이고 매우 강합니다. 이때 다이아몬드는 3차원적으로 매우 강한 공유 결합망을 이루고 있어 자연계에서 가장 단단한 물질 중 하나입니다.반면에 흑연은 각 탄소 원자가 sp² 혼성 궤도를 이용해 3개의 탄소와 공유 결합을 형성해 평면적인 육각형 구조를 이루고, 남은 하나의 전자는 π 전자로서 층 전체에 비편재화되어 전도성을 가지는데요, 이 층들은 약한 반데르발스 힘으로 서로 결합해 있어서 쉽게 미끄러질 수 있으며, 층간 결합이 약해 층이 쉽게 미끄러져 연필심처럼 부드럽게 쓰여집니다.또한 말씀해주신 것처럼 상온, 상압에서 열역학적으로는 흑연이 더 안정한 형태를 이루고 있는데요, 다이아몬드는 고온·고압 조건에서 형성되었기 때문에 지구 표면에서는 준안정 상태로 존재하지만, 전환 속도가 매우 느려서 일상적으로 안정하게 남아 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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촉매가 화학 결합의 형성과 끊어짐에 어떤 영향을 주나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 효소와 같은 촉매는 반응물과 생성물의 에너지에는 영향을 주지 못하지만 활성화에너지를 낮춰서 반응속도를 증가시킬 수 있습니다. 우선 결합을 끊기 쉽게 만들어주는데요, 촉매는 반응물이 촉매의 표면이나 효소의 활성 부위에 결합하도록 하여, 원래보다 결합이 더 약해지도록 합니다. 예를 들어 금속 촉매의 경우 반응물이 금속 표면에 흡착되면, 금속과의 상호작용 때문에 반응물의 기존 결합이 약화되어 끊어지기 쉬운 상태가 되며, 효소 촉매도 기질과 결합해 원래의 화학 결합을 불안정하게 만들어 결합이 끊어지도록 유도합니다.결합을 끊는 것도 쉽게 만들어주지만, 반대로 촉매는 반응물이 가까이 접근하기 쉽도록 배열을 잡아 주거나, 전자 밀도를 재배치하여 새로운 결합이 형성되기 좋은 전자 환경을 제공합니다. 이렇게 하면 원래의 경로보다 더 낮은 에너지 장벽을 통해 새로운 화학 결합이 형성될 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.29
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