分子間力・分子結晶とは

分子間力とは

分子と分子の間ではたらく、ごく弱い引力を分子間力といいます。分子間力には、ファンデルワールス力と呼ばれる引力と、水素結合と呼ばれる引力があります。

ファンデルワールス力

ファンデルワールス力は、何もしなくても、分子と分子の間ではたらいている非常に弱い引力です。

分子では、何もしていなくても、分子内の一部で非常に小さな電荷の偏りができることがあります。このとき近くの他の分子が影響を受けて、他の分子でも非常に小さな電荷の偏りが生じます。

これがとても近くにある分子同士で起こると、ひとかたまりの分子の集まりとして、液体や固体になります。

二酸化炭素 CO₂ の分子を例とすると、分子の一部に微小の電荷の偏りができることがあり、近くの分子と引き合います。

こうして分子同士が引き付けあうことで、二酸化炭素の気体を冷却したとき、固体（ドライアイス）になります。（圧力や温度の条件によっては液体になります。）

二酸化炭素は無極性分子でしたが、極性分子では分子が常に電荷の偏りをもっているので、極性分子ではファンデルワールス力がやや大きくなります。

水素結合

極性分子では、ファンデルワールス力がやや大きくなります。つまり分子の極性が大きいと、分子間の引力が大きいと考えられます。

水素原子 H とフッ素原子 F 、酸素原子 O 、窒素原子 N の間の共有結合では、極性が特に大きくなっています。

これは水素原子と、他の 3 つの原子の電気陰性度の差が大きいことからも、確認できます。

電気陰性度の差が大きいので、共有電子対が他の 3 つの原子の方に引き寄せられ、極性が大きくなります。

このように、H－F 、H－O 、H－N の共有結合は、極性が大きいです。そこで特に、これらの結合をもつ分子がたがいに引き合うとき、これを水素結合といいます。

水素結合をもつ分子同士は、（共有結合やイオン結合よりは弱いですが）強い力で引きつけ合います。

水素結合をもつ分子は、フッ化水素 HF 、水 H₂O 、アンモニア NH₃ などです。

ファンデルワールス力と水素結合をまとめて、分子間力といいます。

分子結晶とは

分子間力で分子同士が近づいて固定され、結晶となった固体を分子結晶といいます。

分子結晶の代表例が、二酸化炭素です。二酸化炭素は極性がないので、弱いファンデルワールス力によって分子同士が固定されています。

結晶を保つ分子間力が弱いので、一般に分子結晶は脆くて軟らかい性質をもちます。また、結晶内に余った電子はないので、電気を通しません。

二酸化炭素の分子結晶であるドライアイスは、分子間力が弱いので、常温で結晶の状態を保つことができず、分子が気体として離れていきます。

ドライアイスはこのように、固体から直接気体になる昇華性があります。

同様に分子結晶であるヨウ素 I₂ も、分子間力が弱いので、分子結晶の固体から気体へと昇華する性質があります。

問題演習

確認テスト1

次の文章の空欄に適切な語句を入れましょう。

分子と分子の間には、弱い引力がはたらいています。これを（　A　）といい、（　A　）によりできている結晶を（　B　）といいます。

（　C　ドライアイス・ダイヤモンド・鉄　）や（　D　塩化水素・ヨウ素・ヨウ化水素　）は、（　B　）です。これらの結晶は、分子同士の引力がとても弱いので、昇華する性質があります。

また、（　B　）は電気を（　E　通し・通さず　）、（　F　硬く・軟らかく　）て脆い特徴があります。　

実践問題1（2019追第1問問1）

『固体が分子結晶であるもの』に当てはまるものとして最も適当なものを、次の①～④のうちから一つ選べ。

①　カリウム　　　　　　②　ナフタレン

③　硝酸ナトリウム　　　　　　④　二酸化ケイ素

（2019年度センター試験　追試験　化学基礎　第1問問1　より一部を引用）

実践問題2（2017追第1問問3）

分子結晶に関する記述として誤りを含むものを、次の①～⑥のうちから一つ選べ。

①　分子が規則正しく配列してできた固体である。

②　通常、イオン結晶と比べて融点が低い。

③　昇華するものがある。

④　分子結晶をつくる主要な力は、分子間力である。

⑤　電気伝導性を示さないものが多い。

⑥　極性分子は分子結晶にならない。

（2017年度センター試験　追試験　化学基礎　第1問問3　より引用）