化学
高校生

水素結合についての質問です。
水・フッ化水素・アンモニアはそれぞれ一分子に4つ・2つ・2つの水素結合が形成されるそうなのですが、なぜこのようになるのでしょうか。
私としては、水分子中の酸素が非共有電子対を介して水素結合を形成しているのであれば、フッ化水素やアンモニアも同様にして水素結合を増やすことができるのではないかと考えています。
どうぞよろしくお願いいたします。

回答

勉強お疲れ様です。小生の知識があなた様のお力になれれば幸いです。

質問者様は誤解されているか間違った説明を受けたと文面から判断しました。
まず確認したいのが水素結合の仕組みです。

分子は電子殻を安定させるために電子を相手と共有するんでしたよね。それを『共有結合』といいます。
しかし、共有された電子のペアは2つの原子のちょうど中間に存在するわけではなく、どちらか一方に近い場所で存在します。これによって電子が近い電子は負に、遠い方は正に帯電します。この電子の引き寄せる強さの差によって帯電することを『極性』といい、そのような化合物分子を『極性分子』といいます。例えば、HClにおけるClは負に、Hは正に帯電します。これによって、とあるHClのCl原子に別のH原子が引き合います。このように、極性によって分子同士が引きつけ合うを『分子間力』といいます。ですのでHClもHFも分子間力が働いています。
しかし、分子間力は分子量に比例して大きくなることが知られており、沸点の大きさにも関係していたのですが、HF、NH₃、H₂Oの三種類だけはHCl、PH₃、H₂Sに比べて沸点が異様に高くなることが分かったのです。おなじ分子間力であるはずなのにです。そこでこの3分子の分子間力を特別に水素結合と名付けました。このことから水素結合とは、分子間にはたらく分子間力の一種なのです。

これを踏まえた上で質問内容を振り返ると「1分子に4つ・2つ・2つの水素結合が形成される」とありますが、分子『内』のHーFは共有結合であり、分子間の HーF ・・・ HーFの 『・・・』の部分が水素結合なのです。よって、質問者様は共有結合の部分を、水素『結合』と思い込んでしまったが故の文章なのではないでしょうか。

水素結合は共有結合と名前が似てるので誤解されやすい内容です。その実、ちょっと沸点が高いからって「結合」なんて名前を冠されていますが、しょせんは分子間力、雑魚です。その証拠にフッ化水素の沸点は20℃くらいですが、全て共有結合でつながったダイヤモンドの沸点は5000℃です。

とりあえずデマ流したやつはしばき回した方がいいですね!

こんなもんでいいですか?

 私の文章力のなさにより質問内容をうまくお伝え出来ず申し訳ございません。
 一個の水分子が他の水分子と水素結合を形成する際、水分子中の二つの水素原子を介する二つの水素結合、水分子中の酸素原子が持つ二つの非共有電子対を介する二つの水素結合の合計4つの水素結合を形成すると思います。
 このように非共有電子対によって水素結合が形成されるのであれば、非共有電子対を3つ持つフッ化水素も以下の図のように水素結合を形成するのではないかという意図で質問させていただきました。

写真が見づらくなりすみません。

なるほどなるほど。そんな風に考える生徒もいるんすねぇ~。
水素結合は分子間力の一種で共有結合ではないため、1つのFに1つのHが結合しているという考え方はしません。隣接しているH原子と磁石の様に引き合うだけのことなのです。重要なのは別の分子とくっついているというその一点のみです。よってその点を強調するためあえて2つの水分子しか書きませんでした。もしかしたら4つといわず8つでも9つでも隣接するH原子の数だけくっついているのかもしれないですね。

もしかして立体構造の話?はいはい納得納得。これのことじゃないかな?

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