フッ化水素の水素結合

質問

フッ化水素が水素結合すると，Ｈ－Ｆ…Ｈ－Ｆ…Ｈ－Ｆ…となりますが，この状態のフッ素Ｆに別の方向から水素が近づき水素結合することはないのでしょうか。

水分子だと，酸素Ｏに２組の非共有電子対があり，その両方の方向に水素結合ができるようですが，なぜフッ素Ｆだと１方向なのでしょう？フッ素Ｆには３組の非共有電子対があるので，その３方向に水素結合ができてもいいように思うのですが。

高校生レベルの化学はわかるのですが，それ以上の専門的なことがわからないので，よろしくお願いします。

回答No.2

101325 · ベストアンサー

> なぜフッ素Ｆだと１方向なのでしょう？

フッ素でも２方向や３方向に水素結合ができますよ。

実験結果ではなく、シミュレーションの結果ですけど
http://dx.doi.org/10.1021/jp108147e
の左側の絵では、緑色のフッ素原子に２方向から水分子の水素が水素結合しています。
参考URLの論文のFig.4とFig.7を見ると、これもまたシミュレーションですけど、液体フッ化水素の水素結合鎖に枝分かれが生じうることが分かります。

> フッ化水素が水素結合すると，Ｈ－Ｆ…Ｈ－Ｆ…Ｈ－Ｆ…となりますが，
> この状態のフッ素Ｆに別の方向から水素が近づき水素結合することはないのでしょうか。

固体フッ化水素の場合は、ないといっていいです。理由は簡単で、固体の場合はＨＦの水素結合鎖が（事実上）無限に長くて、さらに水素結合を作れるような余り物の水素がないからです。

液体フッ化水素の場合は、Ｘ線と中性子線を使った実験によると、ＨＦが５～６分子あつまってひとつの水素結合鎖を作っているようです。
http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_fluoride#Structure
ですので、だいたい５～６個の水素原子に１個の割合で、水素結合に参加していない水素原子が液体中にあります。この水素原子が水素結合鎖の端以外のフッ素原子に水素結合をすると、そのフッ素原子は２方向に水素結合することになり、参考URLの論文のFig.4とFig.7にあるような枝分かれが生じます。ですけど、ウィキペディアに引用されている論文
http://dx.doi.org/10.1002/anie.200353289
によると、この枝分かれは非常に少ない(very little branching)とのことです。

枝分かれが非常に少ないこと、つまり液体フッ化水素ではＨＦがほとんど１方向にしか水素結合しないことは、実験をしてみなければ分からなかったことですから、なぜそうなるのかを説明するのはむずかしいんじゃないかなと私は思います。しかし、実験結果を見た後の、後付けの理屈でよければ、「２方向で水素結合をすると確かにエネルギーが低くなって安定化する。しかし水素結合形成によってエントロピーもまた低下する。物質はエネルギーの低くなる方を好む傾向があるのと同時に、エントロピーの高くなる方を好む傾向もある。液体フッ化水素での枝分かれ水素結合は、エントロピー的に不利なので生成しにくい」と言うことはできます。

参考URL：

http://orbit.dtu.dk/getResource?recordId=23096&objectId=1&versionId=1

お礼

詳しいご回答を頂き，ありがとうございました。参考の論文は，私の能力ではすぐには読めないので，時間をかけて読んでいきます。化学って奥が深いですね。

回答No.1

Saturn5

フッ化水素の共有結合と水素結合をわかりやすく、
Ｈ－Ｆ…Ｈ－Ｆ…Ｈ－Ｆ　のゆに、
共有結合＝実線、水素結合＝点線で書いておられます。

しかし、実際は水中で水素は２個のＦ原子の中間に存在し、
共有結合と水素結合の区別はなくなり、
…Ｈ…Ｆ…Ｈ…Ｆ…Ｈ…Ｆ…Ｈ…Ｆ…
のような状態になります。従って、ＨとＦが１：１の
結合が最も安定性が良くなります。

また、ＦはＨに電子を供与すると正の電荷を帯びるため、
２個目のＨが結合しにくくなります。

お礼

ご回答ありがとうございました。参考になりました。