分子間力と分子結晶(ファンデルワールス・水素結合・極性・沸点・氷の結晶など)

この記事で学ぶこと

分子間力

分子は共有結合によって形成されますが、分子同士は分子間力という力によって引き合っています。

キーワード

分子間力：分子同士が引き合う力の総称、高校化学ではファンデルワールス力と水素結合のこと

分子間力の強さは、物質の沸点・融点を調べることで推測することができます。
ここからは、ファンデルワールス力と水素結合をそれぞれ見ていきましょう。

ファンデルワールス力は、すべての分子にはたらく引力です。
この引力の原因は、分子中の電子の動きにあります。

まず、前提として知っておいてほしいこととして、電子は原子核上を不規則に動いてます。(厳密には違いますが、高校化学ではこの考えでOKです。）

電子の位置はその瞬間によって異なるため、位置が偏ることがあります。
電子の位置の偏りから生じるのがファンデルワールス力です。

下のイラストは、水素分子を例にしたファンデルワールス力の原理図です。

ファンデルワールス力はどんな分子にもはたらきますが、大小を決めるルールが３つあります。

ファンデルワールス力の大小

極性分子間では、ファンデルワールスに加えて静電気力がはたらくため結合が強くなります。
以下のグラフは極性分子(NH₃・H₂S・HCl)と無極性分子(CH₄・O₂・F₂)の沸点と分子量のグラフです。

グラフから、無極性分子よりも極性分子の方が沸点が高いことがわかります。

水素原子と電気陰性度の大きい原子とが結合している分子は、一般的な分子からなる物質よりも沸点・融点が高くなります。これは、水素結合と呼ばれる結合によるものです。

キーワード

水素結合：窒素N・酸素O・フッ素Fの間に、水素をはさんでできる結合。(例：NH₃、H₂O、HFなど)

水分子H₂O間の水素結合を見てみましょう。
下図のように、水分子中の水素原子と、他の水分子中の酸素原子とが水素結合を作っています。
(実際は、１つの水分子は他４つの水分子と水素結合をしています。)

ファンデルワールス力と比べて電荷の偏りが大きいため、水素結合は、ファンデルワールス力よりも非常に強いです。

下のグラフを見ると、水素結合している物質が特別沸点が高い事が分かります。
また、分子量が増えると、沸点が上がっていることも分かります。

分子からなる物質の結晶を分子結晶と呼びます。

分子からなる物質の性質

分子からなる水H₂Oは、他の物質からは見られない特異な性質を持ちます。

一般的に、物質は固体→液体→気体になるにつれて密度が小さくなっていきます。
しかし、H₂Oの密度は固体(氷)＜液体(水)です。

その原因は、氷の構造にあります。
下のイラストは、氷と水の分子構造です。

水は不規則に分子が集まっているのに対して、氷は分子が規則正しく配列し、隙間が多くなります。
そのため、同じ分子の数に対して氷の方が体積が大きい＝密度が小さくなります。

この記事を書いた人

そがし

筑波大化学類の学部生。偏差値４９の高校から一般入試で筑波大・明治大に合格し、高校化学をメインとして大学受験に役立つ情報を発信しています。