ファンデルワールスと水素結合

ファンデルワールス力と水素結合は、分子間の相互引力です。ある分子はより強い力を持ち、別の分子はより弱い力を持ちます。

ファンデルワールス力

分子間引力のためには、電荷の分離が必要である。H2、Cl2のような電荷分離のない対称的な分子もある。しかし、これらの分子の中では、電子は常に動いている。そのため、電子が分子の一方の端に移動すると、分子内で瞬間的に電荷分離が起こることがある。電子を持つ端は一時的にマイナスに、もう一方の端はプラスに帯電している。この一時的な双極子が隣接する分子の双極子を誘起し、反対側の極の間で相互作用することができる。この相互作用は、誘導双極子-誘導双極子相互作用として知られている。また、永久双極子と誘導双極子、あるいは2つの永久双極子の間に相互作用が存在することもある。これらの分子間相互作用はすべてファンデルワールス力と呼ばれている。

水素結合

極性結合は、水素がフッ素、酸素、窒素などの負電荷を帯びた原子と結合することで生じる。電気陰性度のため、結合中の電子は水素原子よりも電気陰性度の高い原子に引き寄せられる。その結果、水素原子は部分的に正の電荷を獲得し、より負の電荷を持つ原子は部分的に負の電荷を獲得することになる。このように電荷が分離した2つの分子を近づけると、水素と負に帯電した原子の間に引力が発生する。この引力は、水素結合と呼ばれている。水素結合は他の双極子相互作用よりも比較的強く、分子の挙動を決定する。例えば、水の分子には分子間水素結合がある。水分子は、他の水分子と4つの水素結合を形成することができます。酸素は2つのローンペアを持つため、正電荷を持つ水素と2つの水素結合を形成することができます。この2つの水分子は、二量体と呼ばれることがあります。水素結合の能力により、1つの水分子は他の4つの分子と結合することができます。そのため、水分子の分子量が非常に小さいにもかかわらず、水の沸点が高くなる。そのため、気相に入ると水素結合を切断するのに必要なエネルギーが大きくなってしまう。また、水素結合は氷の結晶構造を決定している。独自の氷の格子構造により水面に浮くため、冬の水生生物を保護することができます。さらに、生体系では水素結合が重要な役割を果たしている。タンパク質やDNAの立体構造は、すべて水素結合によって成り立っている。水素結合は、熱や機械的な力によって切断することができる。