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理論化学(6)大学入試対策[分子間相互作用、分子結晶]

投稿日:9月 28, 2021 更新日:

・問題1 水素化合物の問題を解こう!

(問題1)下の図は沸点と周期の関係を示している。これを見て次の各問いに答えよ。

1)14族元素の水素化合物の沸点は分子量が大きくなるほど高くなる傾向にある。その理由を説明せよ。

(2)14族元素の水素化合物に比べて15~17族元素の水素化合物(NH3,H2O,HFを除く)の沸点は分子量にさほど差がないにもかかわらすかなり高くなっている、その理由を説明せよ。

(3)15~17族元素の水素化合物のうち NH3,H2O,HF はそれぞれのグループの中では低分子量であるにもかかわらず、高い沸点を示している。その理由を説明せよ。

 次に H2OとHF の沸点を比較すると水のほうがかなり高いこれはHFの方が H2O よりも分子量が大きく、また(a)1本あたりの水素結合はHFの方が強いという事実とは矛盾するが(b)それぞれの1分子あtりの水素結合の数の違いで説明できる。水はこのような水素結合の形成に由来して数々の特異な性質を示す。例えば大きな蒸発熱と融解熱および比熱、表面張力、(c)物質を溶かすことなどである。

(4)下線部(a)の理由をフッ素原子と酸素原子の性質の違いに基づいて説明せよ。

(5)下線部(b)の違いがわかるようにH2OとHFの水素結合のようすをそれぞれ図示せよ。ただし共有結合は実践、水素結合は点線でしめせ。

(6)メタンは水素結合を形成しない。その理由を説明せよ。

 氷が溶けて水になると体積が(X)する。また水の密度は(Y)℃で最大である。

(7)XとYに当てはまる理由を答えよ。また 氷が溶けて水になると体積が(X)する理由も述べよ。

解答

(1)構造の似た分子は分子量が大きくなるほど、分子間力が強く働くから。

14族化合物は無極性分子だが分子の中で電子が運動しているので常に瞬間的に電子の分布に偏りが生じる。そのためわずかに正に耐電した部分(δ+)とわずかに負に帯電した(δ-)が生じ分子間力に引力がはたらく。なので分子量が大きくなるほど電子の数も多くなりその分、電子分布が不均一にあんり分子間力が強くなる。

(2)分子量が同じ程度だとしたら極性分子の方が無極性分子よりも分子間力が強く働き沸点が高くなる。

極性分子間にはファンデルワールス力のほかに極性に基づく静電気力が余分に働く。

(3)電気陰性度の特に大きい原子と水素結合との化合物では分子間にファンデルワールス力より強い水素結合が働いているので分子量か推定される値よりもはるかに高い沸点を示す。

(4)H-F結合の方がH-Oの結合よりも電気陰性度の差が大きく、結合の極性が大きいから。

(5)下の画像

(6)炭素と水素の電気陰性度の差が小さく、また炭素原子には非共有電子対が存在しないため。

(7)氷が溶け水になると体積が(減少)する。また氷の密度は()℃で最大である。

(理由)氷は分子簡結合によって水分子が正四面体状に配列した隙間の多い構造であり融解するとこの構造が崩れ隙間が減少するから。

電気陰性度の大きい負の電荷をもつ原子(F,O,N)は正電荷を帯びた水素原子との間に水素結合を生じている。じつはこの水素結合は再ほど上げたF,O,Nといった原子との非共有電子対の方向にしか生じないにゃ。とうことは水素結合には方向性があるということにゃ。ファンデルワールス力には方向生はないにゃ。


問題(2)ヨウ素の問題!

問題2 ヨウ素の単体は常温・常圧で固体であり、おだやかに加熱すると液体を経由せずに直接気体になる。

下線部に関する以下の問いに答えよ。

(1)この現象を何というか?漢字で答えよ。

(2)この現象を利用してヨウ素を精製する実験の図を書け

(3)ヨウ素が変化しやすい理由を50文字以内で説明せよ(無極性分子、ファンデルワールス力、分子結晶の3つの語句を必ず使う)。

(解答)(1)昇華 ヨウ素の固体はファンデルワールス力によってヨウ素分子が配列した分子結晶。

(2)下の画像↓ ヨウ素を加熱して昇華させたヨウ素の蒸気を冷却してヨウ素の結晶をあつめるような事が分かればOK。

(3)ヨウ素は無極性分子で弱いファンデルワールス力で分子が集まり分子結晶をつくってるため。


・問題(3)フラーレンの問題

C60フラーレンは炭素原子が60個で形成されている炭素の同素体であり、サッカーボールのような形をしていることが知られている。このフラーレンは室温での結晶状態でフラーレン一つの粒子とみなした面心立方格子の構造をとる。単位格子の一辺の長さを1.50×10-7cmとするとこのフラーレンの結晶の密度[g/cm3]はいくらか。原子量C=12.アボガドロ定数=6.02×1023/molとする。

(解答)0.60[g/cm3] 解説は↓

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