水素結合

• なぜ一部の昆虫は水の上を歩くことができるのでしょうか?
• シャボン玉はどのようにしてできるのでしょうか？
• 水よりも密度の高いカミソリの刃を水平に置くと、なぜ表面に浮くのでしょうか?
• なぜ氷は水に浮くのでしょうか？
• 特定の化合物の融点と沸点が他の化合物より高いのはなぜですか?

これらの疑問はすべて、物質の分子を結びつけるものを理解し始めると答えが得られます。化学者は、分子間に確立される引力に関する研究を開発し、この力の研究を可能にした数式の発見に責任を負ったオランダの科学者ヨハネス・ディーデリク・ファン・デル・ワールス（1837-1923）に敬意を表して、それらをファン・デル・ワールス力と呼びました。主題。

3 つの主なファンデルワールス力は、誘起双極子力、永久双極子力、および水素結合(以前は水素結合と呼ばれていましたが、現在ではこの用語は正しくないと考えられています) です。

水素結合は、これら 3 つの中で最も強い分子間力であり、次のように定義できます。

ある分子のフッ素、酸素、窒素は非結合電子のペアを持ち、非常に電気陰性であり、別の分子の水素は部分的に正電荷を持っているため、引き付けられて双極子を形成するため、この結合は強力です。したがって、分極度が非常に強調され、分子がしっかりと結合した状態に保たれます。

この分子間力のより一般的な例は、水分子間に発生する力です。以下に示すように、液体状態の水分子は、ある分子の水素と別の分子の酸素の間の「結合」によって互いに引き付けられます。

液体の水中では、これらの分子はまだある程度の運動性を持っています。しかし、固体状態では、分子間の水素結合により、以下に示すように、空の空間を持つ結晶格子内に分子が組織的に三次元的に配置されます。これは、氷が水よりも密度が低く、氷の中に入れると浮く理由を説明します。

水の水素結合は、全方向に分子がなく、下と側面にのみ存在する表面でさらに強くなります。その結果、表面張力、つまり一種の弾性膜または膜が水の表面に形成されます。この場合、表面張力は非常に高いので、一部の昆虫がその上を歩くことができます。

これと同じ現象が、水の密度 (0.9 g/cm ³ ) よりはるかに大きい 8 g/cm ³の密度を持つカミソリの刃が、その表面に水平に置かれたときに浮き上がる理由を説明します。

さらに、シャボン玉が存在する原因も水の表面張力です。泡の表面にある水分子は、隣の分子とのみ水素結合を確立します。上下に分子がないため、結合はさらに強くなり、この表面積を最小限に抑えるために、気泡は表面積と体積の関係が最も小さい球形になります。洗剤の分子が水分子の間に配置され、この表面張力が低下するため、泡が爆発します。これにより水滴も球状になります。

分子間の引力が最も強いため、水素結合を形成する化合物はより高い融点と沸点を持ちます。水素結合を破壊し、物質の凝集状態を変化させるには、より多くのエネルギーをシステムに挿入する必要があるためです。

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