[유기화학실험]용해와 극성 1부

실험 목적

용해현상은 유기실험의 기본이며 반응메커니즘에서도 사용되고, 물질의 정제에도 사용된다. 용매와 유기화합물의 용해현상 관찰을 통해 분자구조, 분자간 인력을 알아보고 유기 작용기의 특성을 알아본다.

실험 1. 기본적인 유기물들의 극성을 알아본다.

실험 2. 알코올 화합물들의 탄소사슬 길이, 하이드록시기와 극성의 관계를 알아본다.

실험 3. 이성질체에서 구조와 극성의 관계를 알아본다.

실험 4. 분자의 구조에 따른 극성의 차이와 염석효과를 알아본다.

실험 5. 카르복실산 화합물의 구조에 따른 극성의 차이를 알아본다.

실험 6. 아민화합물의 구조와 극성의 관계를 알아본다.

 

실험 이론 및 원리

1. 분자간의 힘

극성과 비극성의 문제를 다루려면 먼저, 분자 사이에 작용하는 힘을 알아야 한다. 분자간의 힘은 대게 3가지로 분류할 수 있는데, 첫째로 쌍극자-쌍극자 힘이고, 둘째로 Van der Waals 힘, 셋째로 수소결합이다.

1) 쌍극자-쌍극자 힘

대부분의 분자들은 그들의 극성결합의 결과로서 영구쌍극자모멘트를 가지고 있다. 각각의 분자쌍극자모멘트는 양의 말단과 음의 말단을 가지고 있다. 대부분의 안정한 배열은 한 쌍극자의 음의 말단과 가까운 곳에 또 다른 쌍극자의 양의 말단을 가지고 있다. 2개의 음의 말단이나, 2개의 양의 말단이 서로 접근할 때 이들은 반발한다. 이들은 회전을 하여 더욱 안정한 양의 말단 대 음의 말단의 배열로 배향할 수 있다. 그러므로 쌍극자-쌍극자 힘은 일반적으로 극성분자들의 쌍극자모멘트들의 양과 음의 말단의 인력에 기인하는 분자간 인력이다.

2) 런던 분산력

사염화탄소는 0의 쌍극자모멘트를 가지고 있으나 그 끓는점은 클로로포름보다 더 높다. 분명히 사염화탄소분자들을 결집시키는 데는 쌍극자-쌍극자 힘 이외의 어떤 종류의 힘이 작용하는 것이 틀림없다. 이와 같은 비극성분자들에게 작용하는 주된 인력이 런던분산력이다. 런던 힘은 한 분자 내에 다른 인접한 분자들에 의해서 유발된 일시적 쌍극자모멘트에 기인한다. 비록 사염화탄소는 영구쌍극자모멘트를 가지고 있지 않을지라도 전자들이 반드시 고르게 분포되는 것은 아니다. 한 분자가 또 다른 분자에 접근할 때는 전자들이 대칭배열에서 약간 옮겨짐으로써 1개의 작은 일시적 쌍극자모멘트가 유발된다.

접근하는 분자내의 전자들이 약간 옮겨짐으로써 쌍극자-쌍극자 인력이 생기게 된다. 이 일시적 쌍극자들은 오직 1초의 수분의 1 동안만 존속하며 끊임없이 변한다. 그러나 이들 일시적 쌍극자들은 서로 연관됨으로써 그들의 알짜 힘은 인력이 된다. 이 인력은 두 분자들의 밀접한 표면접촉에 좌우되므로 대략 분자의 표면적에 비례한다. 사염화탄소는 클로로포름보다 더 큰 표면적을 가지고 있으므로 사염화탄소분자들 간의 런던 분산력은 클로로포름분자들 간의 런던 분산력 보다 더 강하다. 간단한 탄화수소의 끓는점에서 런던 힘의 영향을 볼 수 있는데, 여러 가지 다른 이성질체들의 끓는점을 비교해 보면 보다 큰 표면적을 가진 이성질체들은 보다 높은 끓는점을 가지고 있다.

* 유발 이중 극자 형성과정

① 전자가 쏠린 쪽 ☞ 약간의 δ-전하띰

② 반대 쪽 ☞ 약간의 δ+전하를 띰

 

3) 수소결합

수소결합은 참된 결합이 아니라 쌍극자-쌍극자 인력의 특별히 강한 형태이다. 1개의 수소원자가 산소, 질소 또는 플루오르에 결합될 때는 수소결합에 참여할 수 있다. 유기화합물들은 H-F 결합을 가지고 있지 않으므로 오로지 N-H와 O-H의 수소들만 수소결합이 되는 것으로 생각한다. 비록 수소결합은 한 가지 강력한 형태의 분자간 인력이기는 하지만, 정상적인 공유결합보다 훨씬 더 약하다. 공유결합을 절단하기 위해서는 약 100㎉/㏖이 필요한 데 비해서 수소결합을 절단하는 데는 약 5㎉/㏖을 필요로 한다. 

수소결합은 유기화합물들의 물리적 성질에 미치는 큰 영향을 가지고 있다. 분자식 C2H6O의 두 가지 이성질체들인 디메틸에테르와 에탄올은 같은 분자량을 가지고 있다. 그러나 에탄올은 O-H 수소를 가지고 있어 상당하게 수소결합을 이룬다. 디메틸에테르는 O-H 수소를 갖고 있지 않아서 수소결합을 형성할 수 없다. 에탄올은 그 수소결합의 결과로서 디메틸에테르의 끓는점보다 100℃ 이상이나 더 높은 끓는점을 가지고 있다. 

알코올류는 아마도 N-H 결합보다 더욱 심하게 편극화되기 때문에 아민류보다 더욱 강력한 수소결합을 형성한다. 이 효과는 에틸메틸아민과 트리메틸아민에 대한 34℃의 끓는점의 차이에 비해서 에탄올과 디메틸에테르의 100℃ 이상의 끓는점의 차이를 갖는 위의 끓는점들에서 볼 수 있다. 하지만 그래도 수소결합은 아민류의 성질에 미치는 큰 영향을 가지고 있다.

 

2. 극성과 비극성

1) 극성

분자 내에서 양전하와 음전하의 무게중심이 일치하지 않을 때 극성을 갖는다고 하고, 극성을 갖지 않는 것을 비극성이라고 한다. 또한 두 원자 사이의 전기음성도의 차는 0이 아니지만 쌍극자모멘트가 0일 경우에는 비극성물질이다. 비극성물질에서 원자 1개를 다른 물질로 치환할 경우, 쌍극자모멘트는 0이 아니므로 극성물질이 된다. 

극성이 있는 물질은 전기를 띠고 있는 물체인 대전체를 가까이 가져가면 대전체 쪽으로 끌리는 성질이 있다. 극성물질은 양성과 음성을 띠므로 서로 정전기적 인력이 작용한다. 알코올·암모니아·물 등은 극성을 가지지만, 메탄·벤젠·이산화탄소 등은 비극성을 갖는다. 유기화합물 중 분자 내에 산소·질소·할로겐 등을 함유하는 것은 극성을 갖는 경우가 많다. 극성이 있는 용매를 극성용매라 하고, 극성이 없는 용매를 비극성용매라 한다. 일반적으로, 친수성물질은 극성물질을 말한다.

 

2) 비극성

쌍극자모멘트가 없다는 뜻으로, 주로 비극성 결합, 혹은 비극성 분자의 의미로 사용된다. 극성이 없다는 의미로 사용되며 구체적으로는 비극성 결합과 비극성 분자의 두 가지 의미로 나누어 생각할 수 있다. 먼저 엄밀한 의미에서 비극성 결합의 경우는 동일한 원자와 원자 사이의 결합만이 비극성 결합이다. 동일한 원자의 경우 전기음성도가 같으므로 이들 사이의 결합에서 전자는 어는 특정 원자에 편중되게 이끌리지 않으므로 이들 결합은 비극성이다.

대표적인 예로는 H2, O2, N2, F2, Cl2, Br2, I2 등의 동핵이원자 사이의 결합을 들 수 있다. 이러한 비극성결합에 의한 분자는 비극성분자이다. 비극성분자의 경우는 비극성 결합으로 구성된 분자 외에도 분자 내에 극성 결합이 존재하더라도 분자의 대칭성 때문에 분자 자체는 비극성이 되는 경우도 있다. 예를 들어 이산화탄소(O=C=O)의 경우 C=O 결합은 탄소보다 산소가 전기음성도가 크므로 산소 쪽이 부분 음전하를 지니고 탄소 쪽이 부분 양전하를 지니는 극성 결합이다. 그러나 두 개의 극성 결합의 쌍극자 모멘트가 반대의 방향을 가지므로 상쇄된다. 일반적으로 소수성 물질을 비극성물질이라 한다.

비극성 물질			극성 물질
분자식	분자량	끓는점	분자식	분자량	끊는점
N2	28	-196	CO	28	-191.5
SiH4	32	-112	PH3	34	-87.7
Br2	160	59	ICl	162	97.4

 

3. 전기음성도

원자는 전자를 잃거나 얻어서 전하를 띤 입자인 이온이 된다. 이온결합은 반대 전하들 사이의 인력이다. 이러한 이온의 근원은 전기음성도가 매우 다른 원자들 사이의 반응이다. 전기음성도는 한 원자가 다른 원자와 전자를 공유하여 화학결합을 하고 있을 때 이중 한 원자가 공유된 전자를 끌어당기는 능력이다. 전기음성도는 주기율표상에서 같은 주기에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 감에 따라 증가하며 같은 족에서는 우에서 아래로 내려갈수록 감소한다. 이제 다음 네 가지 경우에 대하여 생각해보자. 

1) 극성용매 중에서의 극성용질

염화나트륨이 물에 녹는 현상에 대해서 생각해 볼 때, 반대부호로 하전된 이온들이 서로 분리한다는 것은 진기한 일로 생각된다. 이들 이온을 분리시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 극성용매는 이들 이온을 용매화시키기 때문에 이들 이온을 분리시킬 수 있다. 물이 용매이고, 소금이 용질인 경우에는 소금이 녹음에 따라 물 분자들은 이온의 옆으로 물의 쌍극자모멘트의 적합한 말단이 접근하여 각 이온을 에워싼다. 양이온의 경우에는 물 분자의 산소원자가 접근한다. 음이온에는 물 분자들의 수소원자들이 접근하다. 물 분자들은 아주 극성이기 때문에 나트륨이온과 염화이온의 수화에는 다량의 에너지가 방출된다. 이 에너지는 염화나트륨결정의 격자에너지(원자나 분자, 이온들을 멀리 떨어뜨리기 위한 에너지)를 이겨내기에 거의 충분하다. 따라서 극성용매 중에서 극성용질은 녹는다.

 

2) 비극성용매 중에서의 극성용질

만일 염화나트륨을 가솔린과 같은 비극성용매와 함께 젓는다면 소금이 녹지 않는다. 이들 용매의 비극성분자들은 이온을 아주 강력하게 용매화시키지 못하며 그럼으로써 이들은 소금격자의 큰 격자에너지를 이겨낼 수 없다. 극성물질들의 분자간 인력은 비극성용매 분자와 극성물질의 분자에 대한 인력보다 더 강하다. 따라서 극성물질은 비극성용매에 녹지 않는다.

 

3) 비극성용매 중에서의 비극성용질

파라핀 왁스는 가솔린에 녹는다. 비극성물질의 분자들은 서로에 대해서 약하게 끌리며 이들 van der waals인력은 용매와의 van der waals 인력에 의해서 쉽게 극복된다. 따라서 비극성 용질은 비극성 용매에 녹게 된다. 비록 비극성물질이 비극성용매에 녹을 때는 에너지 변화는 거의 없지만, 엔트로피는 크게 증가한다.

 

4) 극성용매 중에서의 비극성용질

비극성분자들은 서로에 대해서 약하게 끌리게 되며, 이들을 분리시키기 위해서는 적은 에너지가 필요하다. 문제는 극성분자들은 그들의 결합에 의해서 서로에게 강력하게 끌리는 데 있다. 예를 들어, 비극성 파라핀이 물에 녹으려면 물의 수소결합을 다소 절단해야 되지만, 비극성분자의 용매화로부터는 에너지가 거의 방출되지 않기 때문에, 사실상 물 분자들의 수소결합으로 이루어진 구조는 파라핀분자들을 배제시킨다. 따라서 비극성용질은 극성용매 중에서 녹지 않는다.

 

극성이냐 비극성이냐, 혹은 얼마나 극성인가 하는 문제에는 유전상수가 깊이 관여한다. 유전상수는 용매의 극성을 대략적으로 표시하는 양이다. 유전상수는 반대 전하를 각각으로부터 차단하는 용매의 능력에 대한 척도이다. 유전상수가 클수록 용매가 이온들 사이에서 인력과 척력을 차단하는 능력이 크다. 그 다음으로 쌍극자 모멘트가 있다. 쌍극자 모멘트란, 쌍극자를 특징짓는 벡터양을 말한다. 전기 쌍극자 모멘트와 자기 쌍극자 모멘트가 있는데, 보통은 전기 쌍극자 모멘트를 가리킨다. 그 크기는 양전하의 크기와 양·음전하 사이의 거리와의 곱과 같으며, 그 방향은 보통 음전하에서 양전하로 향한다. 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

 

4. 이성질체

이성질체란 분자식이 같으나 다른 화합물이다. 구조 이성질체란 분자식은 같으나 다른 화합물인데 연결모양이 서로 다르다. 즉 원자들이 서로 결합하는 순서가 다른 것이다. 구조 이성질체들은 물리적 성질(녹는점, 끓는점, 밀도등)과 화학적 성질들이 서로 다르다.

 

5. 염석효과

염석효과란 이미 녹아있는 용질을 염을 넣음으로써 석출하는 작용을 말한다. 즉, 친수성 콜로이드 상태의 용액에 전해질을 가하여 서로 엉키게 만드는 것을 말한다. 예를 들어 설명하자면, 두부를 만들 때 콩물을 끓이게 된다. 이 상태가 친수성 콜로이드 상태이고, 이 상태의 두부입자들은 두부입자의 주변을 물들이 둘러싸고 있다. 그러나 여기에 다량의 전해질(간수)을 가해주게 되면 두부입자들이 서로 엉키게 되어 우리가 알고 있는 두부가 만들어 지게 된다. 이것을 염석이라고 한다. 이것과 거의 비슷한 것으로 엉김이라 불리는 것도 있는데, 이것은 소수성 콜로이드 상태의 용액에 소량의 전해질을 가하여 서로 엉키게 만드는 것이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 10㎖ 시험관, 시험관대, 1.00㎖ 용량의 마이크로 피펫, 작은 약숟가락, 전자저울

 

2. 실험 시약

사염화탄소 분자식 CCl4 분자량 153.82 g/㏖ 녹는점 250.15K (-23℃, -9.4℉) 끓는점 349.9K (76.75℃, 170.15℉) 밀도 1.58 g/㎖

에탄올 분자식 C2H5OH 분자량 46.07 g/㏖ 녹는점 159.05K (-114.1℃, -173.38℉) 끓는점 351.47K (78.32℃, 172.976℉) 밀도 0.789 g/㎖

 

메탄올 분자식 CH3OH 분자량 32.04 g/㏖ 녹는점 176.15K (-97℃, -142.6℉) 끓는점 337.85K (64.7℃, 148.46℉) 밀도 0.7918 g/㎖

다이에틸 에테르 분자식 C4H10O 분자량 74.12 g/㏖ 녹는점 −116.3 ℃ (156.85 K) 끓는점 34.6 ℃ (307.75 K) 밀도 0.7134 g/㎖

 

아세트산 분자식 CH3COOH 분자량 60.05 g/㏖ 녹는점 289.85K (16.7℃, 62.06℉) 끓는점 391.25K (118.1℃, 244.58℉) 밀도 1.049 g/㎖

에틸 아세테이트 분자식 C4H8O2 분자량 88.105 g/㏖ 녹는점 −83.6 ℃ (190 K, -118 ℉) 끓는점 77.1 ℃ (350 K, 171 ℉) 밀도 0.897 g/㎖

 

아세톤 분자식 C3H6O 분자량 58.08 g/㏖ 녹는점 178.55K (-94.6℃, -138.28℉) 끓는점 329.65K (56.5℃, 133.7℉) 밀도 0.792 g/㎖

아세토나이트릴 분자식 C2H3N 분자량 41.05 g/㏖ 녹는점 −45 ℃ 끓는점 82 ℃ 밀도0.786 g/㎖

 

톨루엔 분자식 C6H5CH3 분자량 92.14 g/㏖ 녹는점 −93 ℃ 끓는점 110.6 ℃ 밀도 0.8669 g/㎖

프로판올 분자식 C3H8O 분자량 60.10 g/㏖ 녹는점 −126.5 ℃ (146.7 K) 끓는점 97.1 ℃ (370.3 K) 밀도 0.8034 g/㎖

 

펜탄올 분자식 C5H12O 분자량 88.15 g/㏖ 녹는점 -77.6 ℃ (195.55 K) 끓는점 137.986 ℃ (411.13 K) 밀도 0.8144 g/㎖

옥탄올 분자식 C8H18O 분자량 130.23 g/㏖ 녹는점 -16 ℃ (257 K, 3 ℉) 끓는점 195 ℃ (468 K, 383 ℉) 밀도 0.824 g/㎖

 

로우리 알코올 분자식 C12H26O 분자량 186.34 g/㏖ 녹는점 24 ℃ (297 K, 75 ℉) 끓는점 259 ℃ (532 K, 498 ℉) 밀도 0.8309 g/㎖

에틸렌글라이콜 분자식 C2H6O2 분자량 62.068 g/㏖ 녹는점 −12.9 ℃ (260 K) 끓는점 197.3 ℃ (470 K) 밀도 1.1132 g/㎖

 

1-뷰탄올 분자식 C4H10O 분자량 74.122 g/㏖ 녹는점 −89.5 ℃, 184 K, -129 ℉ 끓는점 117.2 ℃, 390 K, 243 ℉ 밀도 0.8098 g/㎖ (20 ºC)

아이소뷰틸 알코올 분자식 C4H10O 분자량 74.122 g/㏖ 녹는점 -108 ℃ (165 K) 끓는점 108 ℃ (381 K) 밀도 0.802 g/㎖

 

2-뷰탄올 분자식 C4H10O 분자량 74.122 g/㏖ 녹는점 -114.7 ℃ (158 K, -174 ℉) 끓는점 99 ℃ (372 K, 210 ℉) 밀도 0.8063 g/㎖ (20 ℃)

t-뷰틸 알코올 분자식 C4H9OH 분자량 74.122 g/㏖ 녹는점 25 ℃ (298.3 K, 77 ℉) 끓는점 82 ℃ (355.5 K, 180 ℉) 밀도 0.7809 g/㎖

 

테트라하이드로퓨란 분자식 C4H8O 분자량 72.11 g/㏖ 녹는점 -108.4 ℃ (164.75 K) 끓는점 66 ℃ (339.15 K) 밀도 0.8892 g/㎖ (20 ℃에서)

퓨란 분자식 C4H4O 분자량 68.07 g/㏖ 녹는점 -85.6 ℃ 끓는점 31.4 ℃ 밀도 0.936 g/㎖

 

다이옥세인 분자식 C4H8O2 분자량 88.11 g/㏖ 녹는점 11.8 ℃ 끓는점 101.1 ℃ 밀도 1.033 g/㎖

스테아르산 분자식 C18H36O2 분자량 284.478 g/㏖ 녹는점 69.6 ℃ (343 K, 157 ℉) 끓는점 383 ℃ (656 K, 721 ℉) 밀도 0.847 g/㎖ (70 ℃에서)

 

벤조산 분자식 C6H5COOH 분자량 122.12 g/㏖ 녹는점 395.55K (122.4℃, 252.32℉) 끓는점 522.15K (249℃, 480.2℉) 밀도 1.32 g/㎖

아닐린 분자식 C6H7N 분자량 93.0 g/㏖ 녹는점 267.15K (-6℃, 21.2℉) 끓는점 457.15K (184℃, 363.2℉) 밀도 1.0215 g/㎖

 

[Chemistry/유기화학] - [유기화학실험]용해와 극성 2부