결합 쌍극자 모멘트

결합 쌍극자 모멘트(bond dipole moment)는 화학에서 전기 쌍극자 모멘트의 개념을 사용해 분자 내 화학결합의 극성의 정도를 나타내는 척도이다. 분자의 이온성과 전기음성도차를 측정하는 데 유용하다. 화학에서 쓸 때는 간단히 쌍극자 모멘트(dipole moment)라 부르기도 한다.

정의

+q의 전하량을 가지는 양전하와 -q만큼 전하량을 가지는 음전하로 이루어진 간단한 계의 경우 결합 쌍극자모멘트 μ는 다음과 같이 정의한다.

${\displaystyle \mu =qd}$

여기서 d는 두 전하 사이의 거리이다. 이는 전기 쌍극자모멘트에서와 같은 정의이다.

좀 더 화학적인 계를 생각해보자. 이원자 분자에서는 각 원자에 있는 전자 하나의 전하분율이 δ라고 하면 결합 쌍극자모멘트의 식에 나오는 전하량은 부분전하

${\displaystyle q=e\delta }$

가 되고 결합 쌍극자모멘트는 다음과 같이 정의된다.

${\displaystyle \mu =e\delta d}$

여기서 d는 결합의 결합길이, e는 전하의 전하량이다. 이러한 경우의 결합 쌍극자는 +eδ — eδ- 와 같이 생각할 수 있다.

결합 쌍극자(bond dipole)란 화학결합을 한 두 원자 사이에서 상대적으로 전기음성도가 더 큰 원자가 다른 원자의 전자를 끌어오는것에 의해 생기는 쌍극자를 말한다. 두 원자의 전기음성도 차가 커지면, 결합의 극성이 커지고, 결합 쌍극자모멘트 또한 커진다.

그리고, 결합 쌍극자 모멘트는 결합축에 평행한 음전하에서 양전하 방향을 가리키는 벡터로 생각할 수 있다.^[1] (몇몇 화학자는 결합 쌍극자모멘트 벡터를 반대 방향, 즉, 양전하 방향에서 음전하 방향으로 그리기도 한다. 하지만, 이는 단지 규약의 차이일 뿐이므로 둘을 섞어쓰는 실수를 하지 않는다면 크게 문제가 되지 않는다.)^[1]

복잡한 분자의 총 결합 쌍극자모멘트는 각각 결합의 결합 쌍극자모멘트의 벡터합으로 근사할 수 있다. 결합 쌍극자모멘트가 알려지지 않은 분자의 경우 값을 구하기 위해 위 과정의 역과정을 이미 결합 쌍극자모멘트의 값이 알려진 분자에 대해 적용하기도 한다. 이를 통해, 여러 결합의 결합 쌍극자모멘트의 값을 구할 수 있고, 이를 다시 재조합 하면 모르는 분자의 결합 쌍극자모멘트의 값을 근사할 수 있기 때문이다.

단위

결합 쌍극자모멘트의 SI단위는 쿨롱-미터, C·m이다. 하지만 이 단위는 분자에서 사용하기엔 너무 크기 때문에 디바이(debye), D란 단위를 사용한다. D와 SI단위와의 관계는 다음과 같다.

${\displaystyle 1\;\mathrm {D} =3.336\times 10^{-30}\;\mathrm {C\cdot m} }$^[2]

보통 간단한 이원자 분자의 경우, 결합 쌍극자모멘트의 크기는 0에서 11D 정도까지 나온다. 극한적인 예로, 대칭적인 분자인 염소, Cl₂의 경우 쌍극자모멘트가 없고, 기체상의 브롬화 칼륨, KBr은 강한 이온성 분자로 10.5D나 되는 결합 쌍극자모멘트를 가진다.^[3]

결합 쌍극자모멘트를 이용한 결합의 이온성 측정

결합의 이온성은 다음과 같이 측정할 수 있다. 이온결합의 경우, 각 전하가 원자에 최대한 분배된 경우, 즉 δ = 1인 경우로 근사할 수 있다. 따라서 결합길이 d에 전하량 q를 곱한값 μ_ion

${\displaystyle \mu _{\mathrm {ion} }=qd}$

와 전기적 방법이나 분광학적 방법을 통해 측정된 실제 쌍극자 모멘트의 값 μ_exp을 비교함으로써 결합의 이온성 I를 측정할 수 있다.

${\displaystyle I={\mu _{\mathrm {exp} } \over \mu _{\mathrm {ion} }}}$

I의 값이 1에 가까울수록 결합은 이온결합에 가깝고, 0에 가까울수록 결합은 비극성 공유결합에 가깝다.

같이 보기

• 극성
• 전기 쌍극자모멘트
• 전기 음성도

각주

1. The Electric Dipole Moment Vector : Direction,Magnitude, Meaning, Etc.
2. Oxtoby, 일반화학교재연구회 역, 《현대일반화학 제5판》, 자유아카데미, p.97.
3. Physical chemistry 2d Edition (1966) G.M. Barrow McGraw Hill