沸点について

質問

H２O、HF、NH3は、水素結合をもつため、沸点が高い。
たとえば、１４族の元素で、CH４→SｉH４→GeH４→SｎH４は、分子量に応じて沸点が大きくなると、参考書に書いていたのですが、
よくわかりません。
おしえてください。お願いします。

回答No.3

ORUKA1951 · ベストアンサー

分子の間に働く分子間力には

1000 イオン間相互作用
　100 水素結合
　　10 双極子相互作用　以下、二つがファンデルワールス力
　　 1 ロンドン分散力
　があります。頭の数字はおよその大きさのレベルです。
★水素結合もイオン間相互作用も分子間力です。よく間違えるひとがいる。

　全く同じ分子の形の場合、沸点が分子量に応じて高くなるのは、まさに重たくなるからです。分子間に働く力は水素結合を含めて色々ありますが、CH4のグループは、全体が均一、対称なためその結合は、ファンデルワールス力のうちの分散(ロンドン分散力)が大きな比重を占めますが、分子一個当たりだと極めて小さく、ファンデルワールス力による結合力に大差がないですが、質量が大きいため自由化エネルギーが大きくなり、結果的に分子量に比例します。

H２O、HF、NH3の3つは、共通して電気陰性度の大きな原子に水素原子(H：2.20)がくっついています（N：3.04、O：3.44、F：3.98)から、結合に関わる電子はO,F,N側にひきつけられていて、水素原子はあたかもより正に電気を帯びているようになります。一方、O,F,Nは、孤立電子対を持っていますから、その部分は負に帯電しています。この負の電荷をもつ孤立電子対と正の電荷をもつ水素原子が電気的な引力で結びついています。そして、しばしばプロトン交換といって水素原子は相手側に移動さえしている。
　相手の原子核ではなく（原子核は陽電荷です）、その分子の孤立電子対とひきつけあっているのです。

　簡単な図を書いてみました。
左上が、メタンの炭素、アンモニアの窒素、水の酸素原子が水素と結びつくときの結合軌道と呼ばれる電子の存在する位置を示したものです。

　この４つのコブの中心に、メタンだと４つとも、アンモニアだと３つ、水だと二つの水素原子が収まっています。この部分は電子と水素原子核の陽子とが電荷を打ち消し合った上に電子が中心に偏っているから正に電荷を帯びています。（赤色で示してある。）
　中央上はアンモニア、右上は水です。

　下の４つは、順番に左から、メタン、アンモニア、水、フッ化水素の分子模型です。水色の丸が水素原子、くらい青が孤立電子対。

　水素結合は右上の図のように、水素と孤立電子対が電気的に結びついている状態で、水素はしばしば相手の孤立電子対に移動してしまう。水は特に、水素原子が二つ、孤立電子対が二つありますから、ダイヤモンドの結晶のように過不足なくきちんと整列できます。
　そのため、この４つの中では最も融点も沸点も高い。

回答No.2

potachie

水素結合の話は一旦忘れてください。

同族の中では分子量が大きいと原子の直径≒分子の大きさが大きくなります。
非極性の分子は、分子間力で結びついています。分子は、電子雲で覆われた構造になっています。この電子雲は、電子がまばらに存在しているので、時々中の原子核の＋が見え隠れします。この見え隠れする割合は、分子の直径が大きい方が大きくなります。
（他にも、電子雲の位置が原子核から離れている方がＨ原子が電子を吸い込みやすくなるなどの理由があります）

なので、分子量が大きい方が分子間力が大きく働き、沸点が大きくなります。
まず、こいつらは、水素結合は関係ありません。

で、つぎになんでこいつらが水素結合と関係ないかですが、こいつらは、正四面体（テトラパックの形）の分子の形を取っています。水素４個がバランス良く中心の１４族元素を覆っているんですね。
水素結合というのは、ある分子の水素と別の分子の原子核が価電子を介して直接結びつく結合を指します。さっき、原子核の＋が見え隠れすると書きましたが、「隠れ」たりすると不安定なので安定的な結合にはならず、分子間力という弱い力にしかならないんです。

で、水は　単独の水分子だと、ミッキーマウスの顔の形になっています。耳が水素、顔が酸素です。フッ化水素は帽子をかぶった顔の形で、帽子が水素、顔がフッ素です。アンモニアは、脚がとっても短い三脚の形、カメラが窒素で、三脚が水素です。いずれも顔やカメラは外からカンタンにぶん殴れる位置にありますよね。つまり、中心原子が裸で見えているんです。
ここに直接他の分子の耳や帽子や脚がくっつくことを水素結合と呼んでいます。

この辺は分子模型を実際に見てみると一発で理解できる部分なのですが、書くと難しいですね。

なお、ご質問文の「たとえば」はたとえばにつながらない内容をつなげているので、理解できない部分は、多分、このせいもあります。もとの読まれた教科書か参考書の文章をきちんと読み直してみることをオススメします。

回答No.1

usokoku

「水素結合をもつため」の後に省略されている言葉を答えれば良いのかな
H2Oのような単分子ではなく、(H2O)n のように複数の分子が水素結合で弱く結合して、見かけ上、巨大な分子が存在するため、nの数に応じて分子量が増えて、
沸点が高い

水素結合の場合には、完全な分子の形態になりません。中途半端な、弱い結合です。その結果、nは整数にはなりません。たとえば、一部は3で一部は4で、加熱中に切れて、3の状態で沸騰するが沸騰によって、1に切れるとか。
水素結合状態の液体のでの分子の状態については、はっきりとした研究成果が出ていません。おそらく、こんな感じだろう、という推論がいくつか発表されていますが、それそれに問題を抱えています。私の書いた内容はかなり古いので、現在は否定されているものと思われます。