今日は,無機化合物の沸点・融点に関する理由を記述する問題です。
□問題１
ハロゲンの単体は,原子番号が大きいほど,融点・沸点が高くなる理由は？
□解答例
解答例①(字数小)
分子量が大きくなるとファンデルワースル力(分子間力)が大きくなるため。
解答例②(字数大)
ハロゲンの単体は二原子分子からなるため,分子に極性はなく,分子間にはファンデルワールス力しか働かない。
よって,分子量が大きい分子ほどファンデルワールス力が大きく働くので,融点・沸点が高くなる。
□問題２
15～17族の水素化合物の沸点は,アンモニアNH3,水H2O,フッ化水素HFだけは分子量が小さいのにも関わらず,予想される値よりも極端に高くなる。この理由は？
□解答例
解答例①
アンモニア,水,フッ化水素の分子間に水素結合が形成されるため。
解答例②
分子間で水素結合を形成し,他の水素化合物に比べて極端に分子間力が大きくなるため。
※補足解説
無機化合物の沸点・融点の大きさを判断するときのポイントは,次のようになります。
①分子量
一般に,分子構造が似ている物質の沸点・融点は,分子量が大きくなるほど高くなる。
②分子の極性
無極性分子より極性分子の方がクーロン力が働き,沸点・融点は高くなる。
③水素結合の有無
極性分子の中でも水素結合があれば,沸点・融点はさらに高くなる。
☆ここで,３つの結合について説明します。
分子間に働く力にはいくつかあり,極性分子の間では,極性による電気的な引力がはたらき,この力を極性引力といいます。また,分子中に電気陰性度の大きいF,O,N原子と電気陰性度の小さいH原子が結合すると非常に強い極性を生じます。
そして,負に帯電しているF,O,Nと,他の分子の正に帯電したHとの間とで強く引きつけあいます。この結合を特に水素結合とよんでいます。
しかし,極性をもたない無極性分子でも,瞬間的な電子の偏りにより,弱い力が働きます。
この極性,無極性に関係なくすべての分子間に働く弱い結合をファンデルワールス力といいます。
このように分子間に働く極性引力,水素結合,ファンデルワールス力を合わせて分子間力とよんでいます。そして,これらの結合の強さは,一般的に次のようになります。
★分子間力の強さ
水素結合＞極性引力＞ファンデルワールス力
※１ 電気陰性度
異なる原子が共有結合したときに,その原子が共有電子対を引きつける強さを数値化したもの。
※２ 水素結合
分子中に電気陰性度の大きいF,O,N原子と電気陰性度の小さいH原子が結合すると非常に強い極性(電荷の偏り)を生じます。この結合で負に帯電したF,O,Nと,他の分子の正に帯電したHとの間で強く引きつけあいます。
この結合を特に水素結合とよんでいます。
☆では,具体的に
□ハロゲンの単体の沸点・融点
ハロゲンの単体の沸点・融点は,原子番号が大きいほど,高くなります。
これは,ハロゲンの単体はいずれも二原子分子からなるため,分子に極性はなく,分子間にはファンデルワールス力(すべての分子間にはたらく弱い引力)しか働きません。よって,分子量が大きい分子ほどファンデルワールス力が大きく働くので,融点・沸点が高くなります。
□水素化合物の沸点
例えば,14族の水素化合物の沸点は分子量が大きくなるほど高くなります。しかし,15～17族の水素化合物の沸点は,アンモニアNH3,水H2O,フッ化水素HFだけは分子量が小さいのにも関わらず,予想される値よりも極端に高くなります。これは,アンモニア,水,フッ化水素の分子間に水素結合が形成されるためです。
実際に出題された過去問題です。
■問 第16族の水素化合物の中で水の沸点は,その分子量から予想される値よりも異常に高い。この理由を15字以内で述べよ。
(2009 明治薬科大学 )
■問 14族では,第2～第5周期の元素の水素化合物の沸点(－161～－52℃)が,周期とともに上昇しほぼ一直線上に並ぶ。15～17族では,第3～第5周期の元素の水素化合物の沸点が14族とほぼ同じようにそれぞれ直線的に上昇するのに対し,「第2周期の元素の水素化合物の沸点だけが異常に高い」ので14族のような直線関係にはならない。下線部分について,その理由を30字以内で記述解答欄に書きなさい。
(2010 昭和薬科大学 薬)
■酸素および硫黄の水素化物は水(H2O)および硫化水素(H2S)である。一般に,分子構造の似ている物質では,分子量が大きいほど沸点が高くなる傾向があるが,
a水の沸点は100℃であり,硫化水素の沸点(－60℃)と比べて異常に高い。
問 下線部aについて,水の沸点が異常に高い理由を説明せよ
(2010 群馬大学 工 )
■アンモニア分子では,窒素原子が持つ５個の価電子のうち３個が,水素原子と共有結合を形成するのに使われ,残りの価電子は非共有電子対を形成している。アンモニア分子は窒素原子と水素原子の間に電荷の偏りがあるうえ,三角錐形をしているため極性分子である。また,(ｱ)アンモニアは,第3および第4周期の同族元素の水素化合物に比べて沸点が高い。
問 下線部(ｱ)の理由を30字以内で記せ。
(2010 静岡県立大学 薬 一部改)
■問 物質の沸点について,以下の(1)に答えよ。
(1) 同族元素の等核二原子分子の沸点を比べると,分子量が大きくなるにつれて沸点は高くなる。その理由を簡潔に述べよ。
(2010 防衛大学校 理工学専攻 一部改)
■……(略)……構造が似た分子では,分子量が大きいほどファンデルワールス力が大きく,沸点が高くなる傾向があるが,分子量が近いF2とHClを比べると,「 ① 」の方が沸点が高い。その理由は,「 ① 」は分子中に電荷の偏りがある「 ② 」分子であり,分子間にクーロン力が強く働くためである。
問 ①にあてはまる化学式,②にあてはまる語句を記せ。
(2011 京都産業大学 コンピュータ理工 総合生命科 理 一部改)
□解答
①HCl
②極性
■問 F2,Cl2,Br2,I2を沸点の高い順に並べよ。また,その理由を40字以内で記せ。
(2013 宇都宮大学 工 農)
□解答
問 I2＞Br2＞Cl2＞F2
理由…分子量が大きいほどファンデルワールス力が強くなり,融点や沸点が高くなるため。
■水は硫化水素よりも分子量が小さいにもかかわらず沸点が高い。水の沸点が硫化水素の沸点よりも高い理由を30字以内で記せ。
(2013 大阪市立大学 理 工 医 生活科 )
■ハロゲンの単体は二原子分子からなり,常温でフッ素と塩素は気体,臭素は液体,ヨウ素は固体である。これらハロゲンの二原子分子の沸点を比較してみると,①分子量が大きいほど沸点は高くなる。
問 下線部①の理由を30字以内で説明せよ。
( 2012 静岡県立大学 食品栄養科 一部略)
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無機化合物の沸点・融点に関する理由を記述する問題
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