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반데르발스 힘이란 무엇인가
반데르발스 힘(Van der Waals forces)은 분자(또는 원자) 사이에 작용하는 비교적 약한 인력(때로는 근거리 반발 포함)을 통칭하는 개념입니다. 이 힘은 “공유결합처럼 전자를 직접 공유하지 않아도” 분자 사이 거리가 가까워지면 자연스럽게 나타나며, 기체의 응축(액화), 액체의 점도·표면장력, 고체의 응집력, 고분자 물성 등 다양한 현상을 좌우합니다. 결론적으로 반데르발스 힘은 약하지만 “분자 수가 많아지면(특히 고분자, 응집상)” 누적 효과가 커져 재료 성질을 크게 바꿉니다.반데르발스 힘을 구성하는 대표 상호작용 3가지
반데르발스 힘은 현장에서 보통 아래 3가지 상호작용을 묶어 설명합니다.
(1) 런던 분산력(London dispersion force)
모든 원자·분자에서 나타나는 가장 보편적인 인력입니다. 전자 구름이 순간적으로 치우치며 “순간 쌍극자”가 생기고, 이것이 이웃 분자의 전자 구름을 유도해 “유도 쌍극자”를 만들면서 서로 끌어당깁니다. 분산력은 비극성 분자에서도 작동하며, 분자량이 크고(전자 수가 많고), 분극률이 크고, 표면 접촉이 넓을수록 강해집니다. 예를 들어 같은 계열(알케인 등)에서는 분자량이 증가할수록 끓는점이 상승하는데, 그 주된 원인이 분산력 증가입니다.
(2) 쌍극자-쌍극자 상호작용(Dipole–dipole interaction)
분자 자체가 영구 쌍극자(극성)를 가질 때, 한 분자의 부분 양전하 영역과 다른 분자의 부분 음전하 영역이 서로 정렬되며 생기는 인력입니다. 분자 구조가 더 극성일수록, 정렬이 잘 될수록 효과가 커집니다. 같은 분자량이라면 비극성 분자보다 극성 분자가 끓는점이 높은 경향이 나타납니다.
(3) 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용(Dipole–induced dipole)
극성 분자의 전기장이 이웃한 비극성 분자의 전자 구름을 왜곡시켜 유도 쌍극자를 만들고, 그 결과 인력이 생기는 형태입니다. 예를 들어 극성 용매가 비극성 기체를 일정 부분 용해시키는 현상 등에서 이해에 도움이 됩니다.
“수소결합”은 반데르발스 힘인가
현장에서 혼동이 많은 포인트입니다. 수소결합은 분자 간 인력이라는 점에서 넓게 보면 약한 상호작용 범주로 함께 언급되기도 하지만, 일반적으로는 반데르발스 힘 3종(분산력, 쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도 쌍극자)과는 구분하여 설명하는 경우가 많습니다. 수소결합은 N–H, O–H, F–H처럼 특정 결합과 전기음성도 조건이 맞을 때 강하게 나타나는 방향성을 가진 상호작용이며, 물의 높은 끓는점, 표면장력, 얼음 구조 같은 특성을 설명하는 핵심 원인입니다. 즉, 수소결합은 “반데르발스보다 보통 더 강하고 방향성/선택성이 크다”는 점에서 별도로 다루는 것이 실무적으로 유리합니다.반데르발스 힘이 물성을 바꾸는 대표 사례
(1) 끓는점/녹는점
분자 사이 인력이 강할수록 분자를 떼어내 기체로 보내는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 상승합니다. 같은 계열에서는 분자량이 커질수록 분산력 증가로 끓는점이 올라가는 경향이 뚜렷합니다. 녹는점은 인력뿐 아니라 분자 배열(결정 packing) 영향도 커서 단순 비교가 어려울 수 있지만, 대체로 상호작용이 강하고 결정 배열이 잘 되면 녹는점이 올라갑니다.
(2) 점도와 표면장력
분자 간 인력이 커지면 분자들이 서로 미끄러져 이동하기 어렵고, 액체 내부 결합력이 커져 점도와 표면장력이 증가하는 경향이 나타납니다.
(3) 용해도(상용성)
“비슷한 성질끼리 잘 섞인다”는 경험 법칙은 분자 간 상호작용과 연결됩니다. 비극성 물질끼리는 분산력 중심으로 상용성이 좋고, 극성 물질끼리는 쌍극자 상호작용이 유리합니다. 서로 상호작용의 성격이 크게 다르면 섞이기 어렵습니다.
(4) 흡착과 젖음성(표면 현상)
고체 표면에 기체나 액체가 달라붙는 흡착(adsorption) 현상은 반데르발스 상호작용이 큰 역할을 합니다. 또한 젖음성(접촉각)은 액체-고체-기체 계면에서의 상호작용 균형으로 결정되는데, 표면 에너지와 관련된 반데르발스 기여를 함께 고려해야 합니다.
고분자(플라스틱)에서 반데르발스 힘의 의미
고분자는 긴 사슬들이 다발처럼 얽혀 있고, 사슬 간 거리가 가까운 구간이 많아 반데르발스 상호작용이 누적됩니다. 이 누적 효과가 다음 특성에 영향을 줍니다.
유리전이온도(Tg)와 연성: 사슬 간 인력이 크면 사슬 운동이 억제되어 Tg가 올라가고 단단해지는 방향으로 작용할 수 있습니다.
결정화와 기계적 강도: 사슬이 규칙적으로 정렬될수록 접촉 면적이 커지고 상호작용이 커져 결정화가 촉진될 수 있습니다.
접착/인쇄 난이도: PP, PE 같은 폴리올레핀은 표면 에너지가 낮아(상호작용이 약하게 “겉에서” 드러나기 쉬움) 접착·인쇄가 어려운 편이며, 코로나/플라즈마 처리로 표면 에너지를 높여 젖음성을 개선합니다.
즉, 고분자 물성은 공유결합으로 만든 “사슬 자체”뿐 아니라 사슬과 사슬 사이의 “약한 상호작용 누적”으로도 크게 좌우됩니다.
거리 의존성: 왜 가까워질수록 급격히 커지는가
반데르발스 인력은 분자 사이 거리가 멀어지면 급격히 약해집니다. 그래서 기체 상태에서는 효과가 작지만, 액체·고체처럼 분자들이 촘촘히 모인 응집상에서는 크게 나타납니다. 또한 너무 가까워지면 전자 구름이 겹치면서 강한 반발이 생기는데, 이 반발이 “물질이 일정 거리에서 안정하게 존재”하도록 만드는 중요한 이유입니다. 현실에서는 인력과 반발이 균형을 이루는 거리에서 분자 간 평균 거리가 결정되고, 이것이 밀도와 결정 구조로 연결됩니다.정리
반데르발스 힘은 분자 사이에 작용하는 약한 상호작용의 총칭이며, 런던 분산력, 쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용이 대표적입니다. 이 힘은 개별적으로는 약하지만, 분자 수가 많고 가까이 모여 있는 액체·고체·고분자에서 누적되어 끓는점, 점도, 표면장력, 용해도, 흡착, 고분자 물성까지 폭넓게 지배합니다. 화학과 재료를 이해할 때 반데르발스 힘은 “약하지만 무시하면 전체가 설명되지 않는 힘”이라는 점에서 기본이면서도 매우 실용적인 개념입니다.