高校化学 分子間力と水素結合—沸点の比較で分子量だけに頼らず理由を示す｜武蔵野個別指導塾

沸騰で水分子が残る理由や沸点を比べる条件を考えます。そこで働く分子間力は？

よくあるのは、液体が沸騰したとき、分子内の共有結合が切れて原子がばらばらになると説明する場面です。水の沸騰で水分子が水素原子と酸素原子に分かれると考えると、状態変化の前後で粒子の種類が変わってしまいます。分子をひとまとまりとして描き、その内部と隣の分子との境界を見分けることから始めます。

要点（結論から）

• 共有結合は分子内、分子間力は別の分子の間という境界を押さえます。
• 無極性分子にも分散力が働き、極性分子にも分散力が働きます。
• 水素結合の有無は H の結合相手と相手側の原子から考えます。

比較の問いを読む

問題の出方には、まず状態変化の前後を粒子図で表す型があります。液体中では分子が近くに集まり、気体中では平均的な間隔が広がります。沸騰で分子同士の引力に逆らって離れることと、分子内の共有結合を切ることを区別して説明します。図が丸だけなら、1個の丸が原子か分子かを先に確かめます。

次は、沸点の高低を分子量や構造と結び付ける型です。同じ圧力で比較し、分子量の違いに加えて、極性や水素結合の有無を検討します。分子量が大きい方が必ず高沸点という規則はありません。比較する物質の形や相互作用を確認し、条件が不足していれば順位を断定しないことも解答です。

もう1つは、与えられた模型やデータを使って説明の妥当性を判定する型です。数字が架空の模型の与件なら、その条件に従って計算し、実際の物質の物性値にすり替えません。説明は「どの粒子の間の何を比べたか」と「その結果、離れやすさにどのような差があるか」をつなぎます。

分子の内と外に線を引く

原子同士が電子対を共有してできる共有結合は、たとえば水分子内の O と H を結びます。一方、分子間力は別々の分子の間に働く引力です。図1のように実線を分子内の共有結合、点線を分子間の引力として描くと、同じ線の種類で扱う誤りを防げます。図は位置関係を示す模式図で、長さや角度は実測値ではありません。

液体の水が気体になるとき、水分子は分子同士の引力の影響を受けながら互いに離れます。気体中でも H₂O という分子自体は保たれます。液体に熱を加えたときのエネルギーを、すべて分子内の結合を切るためと考える必要はありません。図1の点線をほどくイメージは使えますが、液体では分子が動き、相手との関係も絶えず変化している点に注意します。

分子間力を理解する手掛かりの1つは分散力です。電子の分布は瞬間ごとに偏り、その一時的な偏りが近くの分子にも偏りを生じさせて引力に寄与します。無極性分子にも分散力は働きます。極性分子にも分散力は働くので、「極性があるから分散力はない」という分類はできません。

分子が永久的な電荷の偏りをもつとき、正に偏った側と負に偏った側の間の引力も考えられます。これが双極子間の相互作用です。ただし、分子同士の向きは一定に固定されるわけではありません。気体や液体では熱運動があり、実際の相互作用はさまざまな配置を含みます。

水素結合は、特に電気陰性度の大きい F、O、N に結合した H と、別の分子などの F、O、N の間に生じる強い方向性をもつ引力として高校では扱います。水では一方の分子の O に結合した H が、他方の分子の O と相互作用できます。H を含む分子なら何でも同じように水素結合できるわけではありません。結合相手と受け手となる原子を、構造の中で確かめます。

水素結合がある分子にも分散力などは働きます。沸点を比べる際は、力の名前を1つ選んで残りを消すのではなく、比較に効く違いを文章にします。水素結合を作れる分子でも、その数や並び方、分子の形は異なります。「水素結合がある」という情報だけから、どの物質よりも必ず沸点が高いとは決められません。

分子からなる結晶では、規則的に並んだ分子が分子間力によって集まっています。融解では、この分子の並びが崩れて動きやすくなりますが、通常は分子自体が原子に分解するわけではありません。分子結晶の説明で「分子内に共有結合がある」ことと「分子同士を引き合わせる」ことは両立します。

沸点へつなぐ考え方

沸点は、液体の蒸気圧が外圧に等しくなり、液体内部からも気体が生じる温度です。外圧が違うと同じ液体でも沸点は変わるため、比較の前に圧力をそろえます。沸点に達する前にも液面から蒸発は起こります。沸騰と蒸発を同一視せず、いずれも分子自体を分解する操作ではないと押さえます。

分子が液体から気体へ移るには周囲の分子から離れる必要があります。分子間の引力が強く、他の条件も比較可能なら、離れるのにより多くのエネルギーが必要になり、高い温度まで気体になりにくいと考えられます。これが「引力が強いと沸点が高くなりやすい」という説明の道筋です。現実の沸点は個々の結合1本の強さだけで決まらず、分子の配置や相全体の性質にも左右されます。

同じ系列で形が似た分子を比べると、電子の数が増えて電子分布が変形しやすくなることに伴い、分散力が大きくなる傾向を考えられます。分子量はその傾向を調べる手掛かりです。しかし、分子量自体が引力を生む別の結合ではありません。系列が異なったり水素結合の有無が異なったりすると、単純な大小比較は根拠として足りません。

基本と標準：何が離れるのか

基本例題

液体の水が同じ圧力で沸騰し、水蒸気になりました。水分子内の O と H の結び付き、および異なる水分子の間の引力がどうなるかを、それぞれ1文で説明してください。図2は状態変化を簡略化したものです。

図2の左では水分子を近くに描き、右では分子の間隔を広く描いています。各分子内の実線は右側にも残っています。答えは「O と H の共有結合は保たれ、水分子のままです。分子間の引力に逆らって、分子同士が離れます」です。

液体の一部を図で切り取っているので、左右の丸の数が等しいことも確かめます。どちらも水分子は3個で、O は3個、H は6個です。これを原子にばらしてしまうと、原子数が保たれていても粒子の種類が問題の条件と一致しません。図の外にも分子がある実際の液体を、3個しかないという意味には読みません。

標準例題

次の A、B は説明用の模型です。同じ圧力で比較し、形が似ていて、水素結合はどちらにもありません。A は B より電子の分布が変形しやすく、液体中の分散力の寄与が大きいと与えます。ほかの相互作用の差は無視できるものとします。どちらの沸点が高いと予想されるか、理由も答えてください。

答えは A です。与件から A の分子同士の引力は B より強く、液体から分子が離れにくいので、同じ外圧の下で A はより高い温度で沸騰すると予想します。分子量の大小は与えられていないので、勝手に数値を補ってはいけません。模型の条件の下での予想であり、この一文を任意の2物質へ広げないようにします。

もし「分散力の寄与が大きい」以外の相互作用の差が無視できるという条件がなければ、そこから結論まで一気に進めません。別の引力や構造の違いが順位に影響する可能性が残るためです。どこまで言えるかは、比較を支える条件の数で決まります。

発展：模型の値と実際の沸点を分ける

ある授業用模型では、分子1個を周囲から引き離すのに必要な相互作用のエネルギーを、接触ごとの寄与の和で近似します。模型中の P は分散力の寄与が 2.0、極性による寄与が 1.0、Q はそれぞれ 1.5、2.0 です。単位はいずれも模型単位で、どちらにも水素結合はありません。この模型では和が大きい方が同じ圧力で高い沸点を示すとします。P と Q の和を小数第1位で求め、順位と理由を答えてください。値は自作の与件で、実測値ではありません。

まず、種類ごとの寄与を同じ分子について足します。

Pの和 = 2.0 + 1.0 = 3.0
Qの和 = 1.5 + 2.0 = 3.5
QとPの差 = 3.5 - 3.0 = 0.5

Q の方が 0.5 模型単位大きく、模型の規則から Q の沸点が高くなります。P は分散力の項だけなら大きいのですが、極性の項を加えた全体では Q が上回ります。分散力の項の差 0.5 を、極性の項の差 1.0 が逆向きに上回るためです。

別解として、Q の和から P の和を項ごとに引くと、分散力の差は 1.5 − 2.0 = -0.5、極性の差は 2.0 − 1.0 = 1.0 です。合計は -0.5 + 1.0 = 0.5 なので、同じ結論になります。答えを元の条件に戻すと 3.0 + 0.5 = 3.5 で、Q の和に一致します。

この加算は問題が定めた模型の規則です。実際の液体で個々の寄与を常にこの形で足して沸点を求められるという式ではありません。実在の沸点を数値で求めるための測定値や十分な関係式がない場合、「模型では Q が高い」と答える範囲にとどめます。逆に、和が同じだった場合、この模型の規則だけでは高低を決められません。

うまくいかない説明を直す

「水を沸かすと O と H の共有結合が切れる」という答案では、分子内と分子間を同じ結合とみなしています。図3のように、切れると書かれた実線を残し、分子間の引力に逆らって離れると書き換えます。分子式 H₂O が状態変化の前後で変わらないことも、修正の根拠です。

別の誤答は「分子量が大きければ、どんな2物質でも沸点が高い」です。分子量は分散力の傾向を考える手掛かりですが、水素結合や分子の形などの差を消してしまいます。修正するときは、同じ系列か、圧力は同じか、比較する相互作用は何かを順に書き込みます。条件が欠けている場合は、順位を決めるために必要な情報を示します。

「水素が入っているから水素結合する」も注意が必要です。H が何に共有結合しているか、相手側に適切な原子があるかを見ます。また、分子が無極性であれば引力が全くないという説明も誤りです。分散力は無極性分子の間にも働くので、沸点や分子結晶の存在を説明する手掛かりになります。

学校の指導の下で、純粋な液体の温度変化を観察した記録を比較する場面を考えます。試料と外圧を記録し、温度計の位置や加熱の条件をそろえ、沸騰中の温度を複数回読み取ります。圧力が違う記録や、純粋さが不明な試料を混ぜた比較では、分子間力の差だけを原因と断定できません。温度計の読み取りのずれや加熱の不均一も、結果の差を考える材料です。

温度の記録が途中で途切れ、沸騰していた時間帯を確認できない場合は、その数値を沸点として採用しません。装置の表示が範囲外であったり、外圧の記録が欠けていたりする場合も、比較可能な値を勝手に補わず、条件を整えた記録を求めます。記録に誤りが疑われたときは、値の大小から先に結論を作らず、測定条件と読み取りを見直します。

練習：条件を残して考える

以下の問題は自作です。数値を与える問題では、示した模型の規則を使い、小数第1位で答えてください。定性問題は、結論に加えて指定された理由を書きます。

1. 固体の二酸化炭素が気体になりました。粒子を CO₂ 分子として、分子内の結合と分子同士の距離がどう変わるか説明してください。
2. 分子 X は無極性です。「X の分子間には引力が働かない」という文の誤りを、引力の名前を挙げて直してください。
3. 分子 Y には O に共有結合した H があり、別の Y 分子の O と水素結合できます。分子 Z にはそのような組合せがありません。同じ圧力で、その他の相互作用と分子の形の差は無視できるとします。高い沸点が予想される分子と、その理由を書いてください。
4. 発展例題と同じ授業用模型で、R の分散力と極性の寄与はそれぞれ 1.2、0.8、S は 0.7、1.7 模型単位です。和と差を求め、模型で高い沸点を示す方を答えてください。水素結合はなく、和が大きい方の沸点が高いとします。
5. 同じ模型で、T の分散力と極性の寄与は 1.8、0.6、U は 1.0、1.4 模型単位です。和を求め、沸点の順位をこの模型から決められるか説明してください。どちらにも水素結合はなく、和が大きい方の沸点が高いとします。

練習の解答と途中の考え方

1. CO₂ 分子内の共有結合は保たれ、分子同士は平均的に離れます。固体から液体を経ず気体になる変化は昇華です。固体中の規則的な並びは失われますが、分子を構成する原子の組合せは変わりません。

2. 無極性分子の間にも、電子分布の一時的な偏りに由来する分散力が働きます。永久的な極性がないことと、瞬間的な偏りが生じないことは別です。正しい文は「X の分子間にも分散力が働く」です。

3. Y の沸点が高いと予想します。与件では他の差を無視でき、Y の分子同士には水素結合による引力が加わるため、分子が離れにくくなるからです。Z の分子間に引力が全くないという意味ではありません。条件を外して任意の Y と Z を比べると、この情報だけで順位を断定できない場合があります。

4. R の和は 1.2 + 0.8 = 2.0、S の和は 0.7 + 1.7 = 2.4 模型単位です。差は 2.4 − 2.0 = 0.4 模型単位で、S が高いと模型から予想します。元の和へ戻すと 2.0 + 0.4 = 2.4 です。分散力の項では R が大きくても、極性の項を含めた和で判断します。

5. T の和は 1.8 + 0.6 = 2.4、U の和は 1.0 + 1.4 = 2.4 模型単位です。差は 2.4 − 2.4 = 0.0 です。与えられた規則は和が大きい場合の順位を定めていますが、和が等しい場合の高低は定めていません。したがって、この模型の情報だけでは順位を決められません。両方の元の項を足し直すと同じ和に戻ります。

要点を手元に残す

• 共有結合は分子内、分子間力は別の分子の間という境界を押さえます。
• 無極性分子にも分散力が働き、極性分子にも分散力が働きます。
• 水素結合の有無は H の結合相手と相手側の原子から考えます。
• 沸点は同じ圧力で比べ、分子量・構造・相互作用の条件を確認します。
• 模型の計算結果と、実際に測った物性値を区別します。

つまずきを見つける視点

説明を書いたら、まず「分子内」と「分子間」にそれぞれ下線を引き、沸騰後も残る線を指で追ってみてください。個別指導では、分子を1個ずつ描いた図と答案を照らし、何を粒子として数えたかを確かめます。沸点比較では、圧力と相互作用の条件を本人が言葉にできるか、模型計算では足す対象と単位、答えを元の数に戻す確認を見ます。条件が不足した問題に無理な順位を付けない判断も、分子間力を扱う力です。