ＨＦ、Ｈ２Ｏ、ＮＨ３の沸点の違いはなぜ？

質問

それぞれの沸点はＮＨ３：－３３．４℃、ＨＦ：１９．５℃、Ｈ２Ｏ：１００℃となっています。ＮＨ３＜ＨＦ＜Ｈ２Ｏの順に沸点が高くなる理由を教えてください。
個人的には「ＮＨ３＜ＨＦについて、電気陰性度がＮ＜Ｆなので分子間力はＨＦの方が大きいため」「ＮＨ３＜Ｈ２Ｏも同様」と考えています。ただ、「ＨＦ＜Ｈ２Ｏ」になるのかが疑問です。

回答No.4

rei00 · ベストアンサー

rei00 です。

　「水素結合」について調べていたため遅くなりました。が，なかなか「これだ！」と言う説明は見付からないですね。ということで，簡単にアドバイスを。

　まず，「水素結合」については「Google」（↓）等で検索してみて下さい。いくつか為になるサイトがヒットします。

　それらを見ていると，「酸素原子に２つの水素結合が可能」なようです。最も，２つの「水素結合」は特殊な場合のようで，通常は１つのようです。

　お書きの「塩化ナトリウムの結晶」との比較ですが，確かに『ナトリウムイオンの周りには６つの塩化物イオン』が配置されています。これを見ると，『１つの陽イオンの周りにはいくつもの陰イオンが等距離に配置されうる』事は確かでしょう。また，その理由が『イオンが球状で電荷に方向性がないから』と言うのもその通りと思います。

　しかし，「塩化ナトリウムの結晶」と「水の水素結合」では違いも存在します。

　「塩化ナトリウムの結晶」ではナトリウムイオンは＋１価です。そして，その周りに６つの塩化物イオン（－１価）が存在しますが，塩化物イオンの周りにも６個のナトリウムイオン（＋１価）が存在します。結果として，ナトリウムイオンと塩化物イオンは＋１価と－１価が１：１でイオン結合しています。

　一方，今問題にしている水の「水素結合」の場合，酸素原子はδ－で，δ＋の水素原子と結合します。先の「＋１対－１」と異なり，この場合は「δ－対δ＋」です。

　この電荷の大きさの違いが，酸素原子の「水素結合」を通常１つにしていると考えられませんか。つまり，電荷が小さいから２つの水素を捕えるほどの結合力が出ない。そのため，１つだけだとは・・・。

　いかがでしょうか。今回は全く自信なしです。

参考URL：

http://www.google.co.jp/

お礼

返事が遅くなってしまい、申し訳ありませんでした。
ご説明、納得ができました。確かに、静電気力が弱ければ引きつける力も弱まるはずですよね。
いろいろとありがとうございました。

回答No.3

rei00

rei00 です。補足拝見しました。

　で，それについて考えている間に，大変な間違いに気付きました。まずは，それについての訂正からです。

　水素結合は，電気陰性度の大きい原子（N, O, F 等）に結合してδ＋性に分極した水素原子とδ－に分極した原子との間の電荷相互作用（クーロン力）が中心となって起こります。ですので，窒素原子も，酸素原子も，フッ素原子も，水素原子も，水素結合は１本しか作れません。先の回答の『酸素原子が２つの水素結合が可能なため』は間違いです。忘れて下さい（ゴメンなさい）。

　ですので，HF の場合は直線状の繋がりしかできません。が，水分子の場合は，分子内に水素原子が２つありますので，この部分で分岐が可能で網の目状の水素結合による塊（クラスター）ができます。下に一例を示します（先の回答で示した図は酸素原子の水素結合が２つになっているので間違いです）。

　　　　　　Ｈ　　　　　　　　　Ｈ
　　　　　　｜　　　　　　　　　｜
　　　　　　Ｏ－Ｈ・・Ｏ－Ｈ・・Ｏ－Ｈ・・Ｏ－Ｈ・・
　　　　　　・　　　　｜　　　　　　　　　｜
　　　　　　・　　　　Ｈ　　　　　　　　　Ｈ
　　　　　　Ｈ　　　　　　　　　Ｈ　　　　・
　　　　　　｜　　　　　　　　　｜　　　　・
　　・・Ｈ－Ｏ・・Ｈ－Ｏ・・Ｈ－Ｏ・・Ｈ－Ｏ
　　　　　　　　　　　｜　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　　Ｈ　　　　　　　　　Ｈ
　　　　　　　　　　　・　　　　　　　　　・
　　　　　　　　　　　・　　　　　　　　　・

　さて，アンモニア（NH3）の場合はどうかですが，窒素原子の電気陰性度は酸素やフッ素よりも小さいですので，電荷相互作用（クーロン力）が小さく，沸点も小さくなると考えられます。

　なお，水分子と同様に考えると，アンモニア分子では３分岐した水素結合ネットワークが可能なように思われますが，おそらく，水素同士が近づき過ぎるために安定な構造にはならないと思います（この点，特に自信なし）。

　いかがでしょうか。先の回答に間違い，お許し下さい。

補足

ありがとうございました。さらに、疑問が１つあります。
例えば、塩化ナトリウムの結晶においてナトリウムイオンの周りには６つの塩化物イオンが配置されています。すなわち、１つの陽イオンの周りにはいくつもの陰イオンが等距離に配置されうるわけです。それは、イオンが球状で電荷に方向性がないからだと思われます。同様に考えて、分極してδ＋状態のＨの周囲にも何個かの陰性原子（δ－性を持つ）が配置されてもおかしくはないだろうと思うのです（水素原子が他の陰性原子と共有結合していて、立体的な障害があるとはいえ）。
そう考えると、「酸素原子に２つの水素結合が可能」かもしれない、と思うのですが、いかがでしょう？

回答No.2

rei00

tsuri-kuro さんの回答に１票！

　もうチョット詳しく言うと，「ＨＦ」ではＨもＦも１つの水素結合しか作れないため，直線状の繋がりしかできません。

　　・・・Ｈ－Ｆ・・・Ｈ－Ｆ・・・Ｈ－Ｆ・・・

　しかし，水分子（H2O）では，酸素原子が２つの水素結合が可能なため，網の目状の水素結合による塊（クラスター）ができます。

　　　・　　　　・　　　　Ｈ
　　　・　　　　・　　　　｜
　・・ＯーＨ・・ＯーＨ・・ＯーＨ・・ＯーＨ・・
　　　｜　　　　｜　　　　・　　　　｜
　　　Ｈ　　　　Ｈ　　　　・　　　　Ｈ
　　　・　　　　・　　　　Ｈ　　　　・
　　　・　　　　・　　　　｜　　　　・
　ＨーＯ・・ＨーＯ・・ＨーＯ・・ＨーＯ・・
　　　｜　　　　｜　　　　・　　　　｜
　　　Ｈ　　　　Ｈ　　　　・　　　　Ｈ

　そのため，この繋がりを切って気体分子になるのに必要なエネルギーは大きなものになり，沸点が高くなります。

補足

ありがとうございます。ご説明、わかりました。ただ、疑問があります。
１．ＨＦは直線上のつながりしかできないのはなぜか？
　　　・・・Ｈ－Ｆ・・・Ｈ－Ｆ・・・
　　　　　　・　・　　　・　・
　　　・・・Ｆ－Ｈ・・・Ｆ－Ｈ・・・
　　２次元、あるいは３次元的につながりはできないか。
２．ＮＨ３に関する説明は？
ぜひ、教えてください。よろしくお願いします。

回答No.1

tsuri-kuro

学生時代に習った記憶はあるのですが・・・。
自信はないのですが、水素結合の数が違うのでは無いでしょうか？
水の沸点が高いのは、水素結合の力によるはずなので。

お礼

ありがとうございました。