化学

5分でわかる「水素結合」!元家庭教師がわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「水素結合」について勉強するぞ。

化学には色々な結合が登場する。特に大切なのが「共有結合」、「金属結合」、「イオン結合」だ。これらの結合によって原子が結び付き物質が作られる。一方水素結合は物質を作るための結合ではない。分子の中にある水素が仲立ちとなって起きる分子同士の結合のことだ。水素結合が起きることでその物質の融点や沸点、さらには密度まで変わってくる。

それでは水素結合について国公立大学の工学部化学科出身で家庭教師のバイトをしていたたかはしふみかが解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

たかはし ふみか

ライター/たかはし ふみか

時々東大進学者を輩出する地方の進学校に在籍し、それなりに楽しい高校時代を過ごす。部活は化学部で3年間あきることなく試薬と戯れて過ごしていたリケジョ。わからない用語は図書館の百科事典で検索していたアナログ派。

原子と化学結合のおさらい

水素結合を含め化学結合について理解するためには原子の構造と原子に関連した知識が欠かせません。まずはこのふたつからおさらいしていきましょう。

原子の構造

原子の構造

image by Study-Z編集部

原子は陽子と中性子からなる原子核とその周りを飛んでいる電子からできています。陽子は正の電荷に荷電し、電子は負の電荷に荷電しているのです。ちなみに中性子は電気的に中性であり、原子全体も陽子と電子の電気を打ち消し合って中性となっています。

電子は原子核の周りを自由自在に飛び回っているわけではなく、電子殻という決められた空間の中を飛び回っているのです。電子殻に入るができる電子の数は決まっています。そのため、電子の数が増えると電子殻の数も増えていくのです。そして、いちばん外側にるのが最外殻で、この最外殻に入った価電子が結合に大きく関わってきます。

電子殻は原子核に近いところからK殻、L殻、M殻とあり、その電子の最大容量はそれぞれ2個、8個、18個と決まっているのです。これは原子核に近いところから殻をn番目としたときに2n2と求めることができます。例えばK殻は原子核から1番近いのでn=1となり、2×12でK殻には2個電子が入り、次のL殻は2×22=8で8個までとなるのです。

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原子の構造は化学の基礎の基礎だ。

ところで電子殻は原子核に近いところからK殻、L殻、M殻と続くのは、最初にK殻が見つかったときにまだ中に電子殻がある可能性を考慮して真ん中くらいのKから名前がつけられたからだそうだ。

共有結合とは?

共有結合とは?

image by Study-Z編集部

価電子が多く、陰イオンになりやすい非金属元素。そのため非金属同士が結合するときは最外殻にある電子を共有しあう共有結合をします。

例えば水素分子。水素原子は電子を1つしか持っていません。そして水素の最外殻(K殻)には2つしか電子が入らず、水素原子はお互いに1つずつ電子を出して共有結合します。一方、アンモニアは最外殻(L殻:最大電子数8個)に電子3つ分の空きがある窒素と3つの水素が電子を共有しあってできた分子です。さらにメタンでは最外殻のL殻に電子4つ分の空きがある炭素が4つの水素と電子を共有しています。

また二酸化炭素はひとつの炭素が2つの酸素と2つずつ電子を共有してできた分子です。このように2つの電子を共有しあう結合を二重結合と呼びます。共有結語について理解を深めたい人にはこちらの記事がおすすめです。

 

金属結合とは?

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金属元素同士が集まって単体を作るとき、金属結合によって結合します。

非金属元素とは反対に、金属元素は電子が最外殻に1、2個くらいしかありません。そのため、この最外殻電子が自由電子として原子の間を自由に行き来する金属結合をするのです。この金属結合によって金属は展性延性といった特徴を持ちます。

金属結合について知りたい人はこちらの記事をどうぞ。

イオン結合とは?

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電子を放出したり取り入れたりして金属は陽イオン、非金属は陰イオンになります。そして陽イオンと陰イオンは電気的にひかれあい、イオン結晶を形成するのです。例えばNaCl(塩化ナトリウム、食塩)はNaとClがイオン結合した結晶になります。

このイオンになりやすさは第一イオン化エネルギー電子親和力で決まるのです。第一イオン化エネルギーとは、電子1個を取り去って1価の陽イオンになるために必要なエネルギーのことで、このエネルギーが小さい原子ほど陽イオンになりやすいということができます。そして電子親和力は1個の電子を受け取って1価の陰イオンになる時に放出するエネルギーのことです。この電子親和力が大きいほど1価の陰イオンになりやすくなります。

イオン結合についてもっと知りたい人にはこちらの記事がおすすめです。

水素結合とは?

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ここでいよいよ水素結合のご紹介です。

今までご紹介した結合は、原子と原子を結び付けて物質を作ります。一方、水素結合は分子同士に結びつきを作るのです。例えば水やフッ化水素、アンモニアは分子の間に水素結合が作られます。そのため水などは、同じぐらいの分子量の物質と比べると沸点が高くなっているのです。

なぜ水素結合するのかというと、例えばフッ化水素は電気陰性度(共有した電子を引き寄せる力)の大きいフッ素原子が負に荷電した状態の極性を持っています。そして原子核がむき出しの状態になった水素が他の分子中にある非共有電子対(他の原子とペアになってない電子対)と結びついて水素結合をするのです。

水素結合とファンデルワールス力の違い

水素がない分子の間にも働く力があり、この力はファンデルワールス力又は分子間力と呼ばれています。しかしファンデルワールス力は化学結合より弱い水素結合よりもさらに弱い力です。そのため分子間力が働く分子結晶は柔らかく、常温で液体や固体の状態のものが多くなっています。

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水素結合とは水素が仲介となって分子を結ぶ結合だ。この結合によって分子は融点や沸点が高くなる。

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たかはし ふみか