Name: forces between molecules
Uploaded: 2020-11-23T11:47:33.000Z
Duration: 3 min 13 s
Channel: JoVE

分子間に存在する分子間力は、電荷、部分電荷、および一時的な電荷の間の静電相互作用から発生します。
すべての分子は一時的な電荷を生成します。電子の分布が異なるため、電子雲の1つの領域で電子密度が高くなると、瞬間的な双極子、または一時的な双極子が発生します。
これにより、その後、隣接する分子に別の瞬間的な双極子が誘導されます。双極子のドミノ効果は、分散力と呼ばれる弱い分子間引力を生み出し、極性か非極性かにかかわらず、すべての分子間に存在します。
たとえば、水のような一部の共有化合物は、原子の電気陰性度の違いによって引き起こされる電子リッチ領域と電子プルーフ領域を示します。
共有電子の不均一な分布と化合物の分子形状により、永久的な部分電荷が生成され、それ以外の点では中性の化合物に永久的な双極子が生じ、極性になります。
永久双極子を持つ分子(極性化合物とも呼ばれる)は、双極子-双極子力によって整列し、1つの分子の正の末端が隣接する分子の負の末端と静電的に相互作用します。
極性化合物に、フッ素、酸素、窒素などの電気陰性度の高い小さな原子に共有結合した水素原子が含まれている場合、原子はより大きな部分電荷を示す傾向があります。
その結果、F-H、O-H、またはN-H結合の水素原子は、水素結合と呼ばれる特殊なタイプの双極子-双極子力を介して、隣接する電気陰性原子と強く相互作用します。
特に、水素結合は双極子-双極子力よりも強く、水素結合を形成できる化合物はより高い融点と沸点を示します。
分散、双極子-双極子結合、水素結合の3つの分子間力は、分子内力と比較して比較的弱く、強度も異なります。それらは総称してファンデルワールス軍として分類されます。
分散力はすべての分子間に存在しますが、極性または非極性、双極子-双極子力、および水素結合は極性分子の周囲にのみ存在します。
解専用なのは、最も強い分子間力であるイオン-双極子力です。塩化ナトリウムのようなイオン性化合物を水のような極性溶媒に溶解すると、解離したイオンは強いイオン-双極子力を介して溶媒の双極子と相互作用します。
ここでは、陽イオンは水分子の負の末端と結合し、陰イオンは正の末端と相互作用します。

分子間力

Intermolecular Forces

原子と分子は、分子内と分子間の結合（または力）によって相互作用します。分子内力と分子間力です。分子内力は、電荷を帯びた種（永久電荷、部分電荷、一時電荷）の間の相互作用（引力、反発力）から生じます。静電的な力で、イオン、極性分子、非極性分子、中性分子の間にさまざまな強さで存在します。分子間力の種類には、イオン–双極子、双極子–双極子、水素結合、分散力があり、このうち、中性の原子や分子の間に存在する双極子–双極子、水素結合、分散力を総称してファンデルワールス力と呼びます。 
 双極子 - 双極子力 
 極性分子は、分子の一方の端が部分的に正電荷を帯び、もう一方の端が部分的に負電荷を帯びており、この電荷の分離を双極子といいます。塩酸のような極性分子では、電気陰性度の高いCl原子が部分的に負電荷を帯び、電気陰性度の低いH原子が部分的に正電荷を帯びます。塩酸分子間の引力は、塩酸分子のプラス端とマイナス端の間の引力に起因します。この引力は双極子-双極子力と呼ばれ、ある極性分子の部分的にプラスの端と別の極性分子の部分的にマイナスの端の間の静電力です。 
 分散力 
 3つのファンデルワールス力のうちの1つは、物質を構成する原子や分子の性質にかかわらず、すべての凝縮相に存在します。この引力は、1928年にこの力を初めて説明したドイツ生まれのアメリカ人物理学者フリッツ・ロンドンにちなんで、ロンドン分散力と呼ばれています。この力を単に分散力と呼ぶこともあります。原子や分子の電子は常に運動しているため（あるいは、電子の位置は量子力学的に変化するため）、電子が非対称に分布していると、ある瞬間に一時的に瞬間的な双極子が発生することがあります。この双極子の存在は、隣接する原子や分子の電子を歪ませ、誘導双極子を発生させます。このように、急速に変動する2つの一時的な双極子によって、種間には比較的弱い静電引力、いわゆる分散力が生じます。 
 異なる分子内の原子間に発生する分散力は、2つの分子を互いに引き寄せることができます。しかし、この力は比較的弱く、分子同士が非常に接近した場合にのみ大きくなります。大きくて重い原子や分子は、小さくて軽い原子や分子よりも強い分散力を示します。F2とCl2は常温で気体（弱い引力を反映）、Br2は液体、I2は固体（強い引力を反映）。 
 水素結合 
 フッ化ニトロシル（ONF、分子量49amu）は室温では気体であるのに対し、水（H2O、分子量18amu）は分子量が小さくても液体です。どちらの分子もほぼ同じ形をしているが、ONFの方が重くて大きい分子です。そのため、より大きな分散力が働くことが予想されます。また、この沸点の違いは、分子の双極子モーメントの違いによるものではありません。どちらの分子も極性があり、同等の双極子モーメントを持っているからです。沸点の差が大きいのは、水素原子がフッ素、酸素、窒素原子（三大電気陰性元素）と結合した分子を含む場合に、特に強い双極子の引力が発生するためです。水素原子の電気陰性度が2.1と結合している原子の電気陰性度が4.0(F原子)、3.5(O原子)、3.0(N原子)と非常に大きく、また水素原子の大きさが非常に小さく、F原子、O原子、N原子の大きさが比較的小さいことも相まって、これらの原子の部分電荷が非常に集中します。F-H、O-H、N-Hの部位を持つ分子は、近くの分子の類似した部位に非常に強く引きつけられます。これは、水素結合と呼ばれる、特に強い双極子–双極子引力の一種です。水素結合の例としては、HF⋯HF、H2O⋯HOH、H3N⋯HNH2などがあり、水素結合はドットで示されています。 
  イオン - 双極子力 
 イオン - 双極子力は、イオンと双極子の間の静電引力です。 これらの力は溶液中で一般的であり、水中のイオン化合物の溶解において重要な役割を果たします。

原子と分子は、分子内および分子間の結合(または力)を介して相互作用します。力は相互作用から生じるため静電的です...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

主要用語と概念

forces between molecules

Forces between molecules help explain why matter behaves the way it does. These intermolecular attractions act between separate molecules, not within a single molecule. They are often much weaker than the bonds that hold atoms together inside a molecule, but they still affect many properties of liquids and solids.

Several common types of intermolecular forces are covered in this topic. These include dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces. Van der Waals forces are also called dispersion forces or London dispersion forces.

These attractions help determine how molecules stick together and how they move past one another. In liquids, they influence flow and boiling behavior. In solids, they help shape the structure and stability of the material.

Forces Between Molecules

the periodic table and organismal elements

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Element Groups in Living Things

Living things are built from elements found on the periodic table. This page focuses on the elements that make up organisms and how they are grouped in biology. These organismal elements are usually divided into major, minor, and trace categories. Major elements make up most of the mass of living matter. Minor elements are needed in smaller amounts. Trace elements are present in very small amounts but still play important roles. The periodic table helps show where these elements fit and how...

functional groups

Functional Groups in Organic Molecules

Functional groups are the parts of organic molecules that give them specific chemical behavior. They help determine how a compound reacts and what properties it has. In organic chemistry, these groups are used to classify molecules in a clear way. Hydrocarbons are one common class of organic compounds. They contain only carbon and hydrogen. Alcohols, aldehydes, and ketones are other classes that are identified by their functional groups. These groups make each class behave differently from the...

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Carbohydrate Structures and Types

Carbohydrates are biomolecules built from carbon, hydrogen, and oxygen. Their chemistry helps explain how simple sugars join together and how larger carbohydrate molecules form. The smallest carbohydrates are monosaccharides, or single sugar units. These can link to make disaccharides, which contain two sugar units, and polysaccharides, which are long chains of many sugar units. Carbohydrates play an important role in biology because they are part of the structures and processes found in...

nucleic acids

Nucleic Acids and Genetic Information

Nucleic acids carry genetic information in cells. They include DNA and RNA, which are made from nucleotide building blocks. These molecules store, copy, and help use the instructions needed for life. DNA is the main long-term storage molecule for genetic information. RNA helps carry and use that information in cells. Together, these nucleic acids connect the code in a cell to the proteins it can make.

intermolecular forces

Forces between molecules help explain why matter behaves the way it does. These intermolecular attractions act between separate molecules, not within a single molecule. They are often much weaker than the bonds that hold atoms together inside a molecule, but they still affect many properties of liquids and solids. Several common types of intermolecular forces are covered in this topic. These include dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces. Van der...

noncovalent attractions in biomolecules

How Biomolecules Hold Their Shape

Biomolecules hold their shape through noncovalent attractions. These interactions occur within and between molecules and help control the structure and stability of complexes. They are different from covalent bonds because they do not involve sharing electrons. Four main noncovalent interactions are important in biology: hydrogen bonds, van der Waals forces, ionic bonds, and hydrophobic interactions. Hydrogen bonds form when a hydrogen atom is covalently bonded to a strongly electronegative...

pH Scale and Acid-Base Balance

pH measures how acidic or basic an aqueous solution is. It is a key way to describe the balance between acids and bases in water-based solutions. The pH scale shows this balance with low values for acidic solutions and high values for basic solutions. Neutral solutions fall in the middle of the scale. Understanding pH helps explain how different substances behave in water. It also helps compare solutions that are more acidic, more basic, or neutral.

hydrolysis of atp

ATP Hydrolysis and Energy Release

ATP hydrolysis is a key chemical reaction in cells that releases energy. ATP, or adenosine triphosphate, is the molecule cells use to store and transfer energy for many processes. During hydrolysis, water breaks the bond in ATP’s terminal phosphate group. This reaction converts ATP into ADP, or adenosine diphosphate, and inorganic phosphate. The released energy can then be used to drive cellular work. High school biology students often see ATP hydrolysis as part of energy transfer in living...

key terms and concepts

Explore the main intermolecular attractions, including dipole-dipole forces, hydrogen bonding, ion-dipole forces, and van der Waals forces, for high school chemistry.

Forces Between Molecules | JoVE K12

molecular biology

JoVE Core 分子生物学は、明確で簡潔なアニメーション ビデオ レッスンを通じて細胞の分子プロセスを紹介します。さらに、科学者の実際のビデオでは、これらの概念の応用が現代の研究室での実際の実験を通じて実証されています。

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