분산력

전자의 운동 때문에 생기는 판데르발스 힘 중 London[1] 힘(분산력, London dispersion force)은 원자나 분자, 화합물의 형태, 구조, 극성과 무극성에 무관하게 생기는 힘이다.

전자는 보통 원자나 분자, 화합물에 골고루 퍼져있다. 그러나 전자가 돌아다니다가 어느 한 순간에 전자가 한쪽에 쏠리는 경우(편극)가 생긴다. 이렇게 전자가 쏠린 쪽은 순간적으로 약간의 음전하를 띄게되는 한편, 다른 한쪽은 양전하를 띄게 된다. 이렇게 아주 잠깐 존재하는 양전하와 음전하가 짝을 이뤄 존재하게 되는데, 이를 쌍극자(dipole) 중에서도 '순간 쌍극자(Instantaneous dipole)'라 한다.

순간적인 쌍극자는 이웃한 원자나 분자, 화합물에 분포하는 전자에도 영향을 주고, 이에 따라 연쇄적으로 짧은 수명의 '유발 쌍극자 (Induced dipole)' 가 유발되어 이들간의 힘이 생성된다.

상대적으로 적은 전자를 지닌 원자나 분자, 화합물은 전자가 꽉 잡혀있어 편극이 잘 일어나지 않지만, 많은 전자를 가질 수록 상대적으로 덜 붙잡혀 편극이 잘 일어난다. 이를 편극도라고 한다.

결론적으로 전자의 수가 많으면 편극도가 높아 분산력이 커진다는 의미인데, 전자 수가 많다는 것은 분자나 원자의 크기도 크고, 결국엔 (분자의 경우)분자량과도 비례한다. 분자량이 클수록 분산력이 크다.

분산력은 편극도에 비례하고, 원자나 분자간의 거리의 6제곱에 반비례한다.

분산력은 쌍극자-쌍극자 힘, 수소결합, 이온결합 등에 비하면 무지 작은 힘이다. 이들은 극성 결합을 만들어 낸다. 그렇지만 분자의 크기에 따라 절대적으로 작은 힘은 아니다. 대략 1~10kJ/mol정도의 에너지를 갖는다.

한편, 분자간의 상호작용할 수 있는 면이 넓을수록 분산력이 크다. 즉 같은 분자식을 가지는 분자일지라도, 뭉쳐있는 분자보다 넓게 펴져있는 분자가 더 분산력이 크고 그러면 분자 사이의 인력을 끊어내기 어려워지기 때문에 끓는점 역시 높다. 즉, 한마디로 분자의 크기에 따라서 분산력이 결정된다고 보면 된다.

분산력 크기 비교 예: