11.2: 分子間力 vs 分子内力

分子間力（IMF）とは、分子間の電荷相互作用によって生じます。静電的な引力のことです。分子間力の強さは、分子間の分離距離に影響されます。分子間力は、分子が近接している固体や液体の相互作用に大きく影響します。気体では、高圧条件下でのみIMFが重要になります（気体の分子が近接しているため）。分子間力は、融点、沸点、密度、融解・気化のエンタルピーなど、物質の物理的性質を決定します。液体を加熱すると、分子が獲得した熱エネルギーが、分子を固定しているIMFに打ち勝って、液体が沸騰します（気体状態に変化する）。沸点や融点は、分子間力の種類や強さによって決まります。例えば、水（H₂O、b.p.100 °C）のような高沸点の液体は、ヘキサン(C₆H₁₄, b.p. 68.73 °C)のような低沸点の液体に比べて、より強い分子間力を示します。

分子間には分子間力が働きますが、分子内には分子内力が働き、分子内の原子をつなぎとめます。分子内力は分子を維持する力であり、物質の状態が変化しても分子内の相互作用には影響しません。例えば、氷の融解は、固体のH₂O分子間の分子間力を部分的に破壊して再配列させ、氷を液体の水に変えますが、個々のH₂O分子を分解するわけではありません。

分子内力は、性質上、イオン性、共有結合性、または金属性である場合があります。

原子が電子を得たり（非金属）、電子を失ったり（金属）して、特に安定した電子配置を持つイオン（陰イオン、陽イオン）を形成します。イオンからなる化合物はイオン性化合物（または塩）と呼ばれ、構成するイオンはイオン結合（反対に帯電した陽イオンと陰イオンの間の静電力による引力）によって結合しています。例えば、塩化マグネシウム（MgCl₂）は、マグネシウムの陽イオンと塩化物の陰イオンが強いイオン結合で結ばれたイオン性化合物です。

共有結合（無極性または極性）は、原子間で電子が共有されると形成され、分子が形成されます。非極性共有結合は、水素（H₂）のように、原子が電子を均等に共有している場合に生じます。極性共有結合は、電子の共有が不均等なために形成され、一方の原子が他方の原子よりも強い引力を電子に与えます。例としては、塩化水素（HCl）が挙げられます。

銅やアルミニウム、鉄の結晶などの金属固体は、金属原子によって形成されています。このような金属固体内の原子は、金属結合と呼ばれる独特の力で結合しており、これが有用で多様なバルク特性を生み出しています。

分子間力は分子内力に比べてはるかに弱いです。例えば、1モルの液体HClのIMFを克服して気体HClに変えるには、約17キロジュールしか必要ありません。しかし、1モルの塩酸中の水素原子と塩素原子の間の共有結合を破壊するには、約25倍の430キロジュールのエネルギーが必要です。

本書は 、 Openstax, Chemistry 2e, 第 10 章：液体および固体からの引用です。

化学物質は、原子やイオンが静電的に相互作用することで形成されます。

たとえば、1つの酸素原子と2つの水素原子が共有結合して水の分子を形成します。このような分子内で原子をつなぎとめる結合力は、分子内力と呼ばれます。

分子内力は、安定性や化学結合の種類などの化学的特性を決定します。3つの基本的なタイプは、イオン結合、共有結合、および金属結合です。

イオン結合は、金属から非金属原子への価電子の移動によって形成され、その結果、反対に帯電したイオン間に静電引力が生じます。

共有結合は、非金属原子が価電子を共有するときに形成されます。

最後に、金属結合は、正の金属イオンの配列と非局在化価電子の共有プールとの間の相互作用から生じます。

しかし、静電相互作用は分子内だけでなく、分子間にも存在します。

例えば、水中では、固体、液体、気体のいずれであっても、分子は静電的な非結合性相互作用を介して相互作用し、物質の状態を決定します。これらの相互作用は分子間力と呼ばれ、融点や沸点などのさまざまな物理的特性に影響を与えます。

分子間力はいくつかのタイプに分類できます。強いイオン-双極子力は、イオンと極性分子の間で発生します。双極子-双極子力は極性分子間に存在し、水素結合は双極子-双極子力の特別なタイプです。そして最後に、最も弱い分散力は、極性および非極性のすべての分子に存在し、一時的な双極子の結果です。

分子間力が弱いのは、小さな電荷または部分的な電荷が長距離にわたって相互作用するためであり、分子内力は短い距離での大きな静電相互作用により強い

例えば、液体の水では、分子は平均約300ピコメートルの距離で分離されており、これは比較的弱い分子間力

したがって、これらの分子間力を克服し、液相水分子を気相に移行するには、水をわずか100°Cに加熱する必要があります。

これとは対照的に、水中のO-H結合の長さは96ピコメートルであり、分子内結合が強いという特徴があります。この分子内結合を切断するには、水を沸点よりもはるかに高い約1000°Cまで加熱する必要があります。