分子間力・分子結晶とは

ポイント

分子同士の間ではたらく、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は、とても弱い引力です。無極性分子より極性分子の方が、ファンデルワールス力はやや強くなります。

水素結合と呼ばれる引力は、一般にファンデルワールス力より強いです。

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。

分子結晶は脆くて軟らかく、電気を通しません。

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。 

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A:分子間力   B:分子結晶   C:ドライアイス   D:ヨウ素

E:通さず   F:軟らかく

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)

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正解 2

1 × カリウムは金属なので、カリウムの単体でできた結晶は金属結晶です。

2 〇 ナフタレンは、分子式が C10H8 で表される分子(有機化合物)です。

ナフタレン分子は、分子間力で結晶をつくっています。ナフタレンは固体から気体に昇華する性質を持ち、防虫剤などの用途があります。

3 × 硝酸ナトリウム NaNO3 は、陽イオンのナトリウムイオン Na+ と陰イオンの硝酸イオン NO3 からできています。

これらのイオンがクーロン力によりイオン結合して、イオンが規則正しく並んでイオン結晶となっています。

4 × 二酸化ケイ素 SiO2 は、共有結合による結晶です。

ケイ素 Si 原子は価電子が 4 個なので、4 つの共有結合をつくります。また酸素 O 原子は価電子が 6 個で不対電子が 2 個あり、2 つの共有結合をつくります。

Si の共有結合は、正四面体の頂点の方向に向いています。Si と O が交互に共有結合して、大きな共有結合の結晶をつくっています。

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)

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正解 6

1 〇 粒子が規則正しく並んでできている固体を、結晶といいます。分子結晶は、分子が規則正しく並んでいる固体です。

2 〇 分子同士を結びつける力はイオン結合より弱いので、小さなエネルギー(低い温度)で分子結晶はバラバラになります。

そのため、一般に分子結晶の融点はイオン結晶より低くなります。

3 〇 分子結晶であるドライアイス( CO2 )やヨウ素( I2 )は固体から気体へ、または気体から固体へと昇華します。

4 〇 分子結晶は、分子同士を引き合わせる分子間力でできています。

5 〇 分子結晶には移動できる電子やイオンがないので、一般に電気を通しにくいです。

6 × 水が固体となった氷は、分子結晶です。

H2O 分子には極性があり、この極性ではたらく引力によって分子同士がつながり、分子結晶をつくっています。(この分子間の引力を特に水素結合と呼びます。)

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