実在気体と分子間力
理想気体は仮想的なモデルです。実在する気体は分子の体積と分子間力を持ち、状態方程式からずれます。
基本知識
分子間力は次の3種類が代表的。
① ファンデルワールス力(分散力): 瞬間的な電荷の偏りによる弱い引力。すべての分子に存在。
② 双極子-双極子相互作用: 極性分子間に働く。HCl, アセトンなど。
③ 水素結合: F, O, N に直接結合した H が他の F, O, N と作る特に強い相互作用。H2O, NH3, HF, タンパク質, DNA で重要。
分子量が大きいほどファンデルワールス力は強くなり、沸点が上がります(同族のハロゲンの沸点比較で明確)。
📘 重要用語・公式
ファンデルワールス力（瞬間双極子による分散力）
水素結合（F/O/N-H...F/O/N の特に強い相互作用）
圧縮因子 Z（Z = PV/(nRT)。理想気体で Z=1）
ファンデルワールスの状態方程式（(P+an2/V2)(V-nb)=nRT）
分極率（外電場による電子雲の歪みやすさ）
ロンドン分散力（無極性分子間の引力。分子量増で強化）
ファンデルワールス力（瞬間双極子による分散力）
水素結合（F/O/N-H...F/O/N の特に強い相互作用）
圧縮因子 Z（Z = PV/(nRT)。理想気体で Z=1）
ファンデルワールスの状態方程式（(P+an2/V2)(V-nb)=nRT）
分極率（外電場による電子雲の歪みやすさ）
ロンドン分散力（無極性分子間の引力。分子量増で強化）
深掘り (原理・応用)
実在気体は高温・低圧で理想気体に近づきます。低温では分子間引力で実際の体積が予測より小さくなり Z<1、高圧では分子の固有体積が無視できず Z>1 になります。
水素結合は生命科学的に極めて重要で、DNA二重らせんの塩基対(A-T, G-C)、タンパク質の二次構造(αヘリックス, βシート)を保つ駆動力です。水の高い沸点・大きな比熱・氷の密度異常もすべて水素結合が原因で、生命の存在条件と密接に結びついています。
💡 ポイント
- 理想気体 ⇒ 分子の大きさ・分子間力を無視
- 実在気体は高温低圧で理想に近づく
- 分子間力の強さ: 水素結合>双極子>分散力
- 水素結合: F-H, O-H, N-H のみ
- 同族の沸点は分子量とともに上昇(分散力↑)
- 圧縮因子 Z=PV/nRT で実在気体を評価
- 水の沸点が異常に高い ⇒ 水素結合
注意点 (混同しやすい・頻出ミス)
① 共有結合(分子内)と水素結合(分子間)を混同しない。水素結合は数十kJ/molで共有結合(数百kJ/mol)より弱い。② F, O, N 以外(Clなど)に結合したH は水素結合しない。③ 沸点比較で H2O > H2S, NH3 > PH3, HF > HCl が水素結合の証拠。④ ファンデルワールス力≒分散力＋双極子相互作用、と広義に使う場合あり。
練習
- 水素結合を作る原子の組み合わせとして妥当なものを選べ: ① O-H...N ② C-H...O ③ S-H...O
- H2O と H2S で沸点が高いのはどちらか、理由とともに答えよ。
- 圧縮因子 Z = PV/(nRT) の値が1より大きい・小さいで何が分かるか説明せよ。