主な違い – 分子間水素結合と分子内水素結合
分子は、同じ元素または異なる元素の原子が集まって電子を共有し、共有結合を作ることで形成されます。
共有結合した分子をまとめる引力は2種類あります。
これを分子間力と分子内力という。
分子間力とは、2つの分子の間に生じる引力であり、分子内力とは、分子自体の中に生じる引力です。
水素結合は、水素原子が電気陰性度の高い原子と電子を共有することによってできる、分子内の特殊な結合です。
水素結合は、分子間力と分子内力の両方で発生する。
分子間水素結合と分子内水素結合の主な違いは、分子間結合が隣接する2つの分子の間で起こるのに対し、分子内水素結合は分子自体の中で起こることです。
この2つの力の働きを別々に知っておくことは、分子や共有結合性化合物をどのように結合させているかを理解する上で重要です。
この記事では、この2つの力について説明します。
1. What is Hydrogen Bonding?
2. What is Intermolecular Hydrogen Bonding?
– Definition, Features and Properties, Examples
3. What is Intramolecular Hydrogen Bonding?
– Definition, Features and Properties, Examples
4. What is the difference between Intermolecular and Intramolecular Hydrogen Bonding?
水素結合とは
電気陰性度が中程度の水素が、電気陰性度の高い原子に共有結合すると、両者が共有する電子のペアが電気陰性度の高い原子に偏るようになります。
水素結合が形成されるには、水素受容体と水素供与体が必要である。
水素供与体は分子中の電気陰性度の高い原子で、水素受容体は隣接する分子中の電気陰性度の高い水素原子で、一対の電子を持つ必要があります。
水素結合は、2つの分子の間に現れる場合と、分子内に現れる場合があります。
この2つのタイプは、それぞれ分子間水素結合、分子内水素結合と呼ばれている。
分子間水素結合とは？
分子間水素結合は、同種または異種の分子間で起こります。
アクセプター原子の位置は、ドナーと相互作用できるような正しい方向でなければなりません。
このシナリオを理解するために、水の分子を見てみましょう。
図1：水分子の水素結合
水素原子と酸素原子の間にある2個の電子は、酸素原子の方に引き寄せられます。
そのため、O原子はH原子に比べてわずかに負の電荷を持つ。
O原子はδ-、H原子はδ＋として描かれる。
2番目の水分子が近づくと、一方の水分子のδ-酸素原子と他方の水分子のδ+水素原子の間に静電結合が形成される。
このとき、分子内の酸素原子はドナー（B）とアクセプター（A）として振る舞い、一方の酸素原子は他方の酸素原子に水素を提供する。
水は、水素結合によって非常に特殊な性質を持っています。
水は良質の溶媒であり、高い沸点と高い表面張力を持つ。
さらに、4 ℃の氷は水よりも密度が低い。
そのため、氷は水の上に浮かび、冬の間、水中の生物を守っている。
これらの特徴から、水は万能溶媒と呼ばれ、地球上の生命維持に大きな役割を担っている。
分子内水素結合とは？
同じ分子内の2つの官能基の間で水素結合が起こることを、分子内水素結合といいます。
水素供与体と水素受容体が同じ分子内にある場合に起こります。
図2：分子内水素結合を持つo-ニトロフェノール（オルソニトロフェノール）の構造
O-ニトロフェノール分子では、-OH基のO原子がHよりも電気陰性度が高いため、δ-となる。
一方、H原子はδ+です。
したがって、-OH基のO原子はHドナーとして働き、ニトロ基のO原子はHアクセプターとして働く。
分子間水素結合と分子内水素結合の違い
ボンド形成
分子間水素結合。
分子間水素結合は、隣り合う2つの分子間で起こる。
分子内水素結合。
分子内水素結合は、分子自身の中で起こる。
物性値
分子間水素結合。
分子間水素結合は、融点、沸点が高く、蒸気圧が低い。
分子内水素結合。
分子内水素結合は、融点、沸点が低く、蒸気圧が高い。
安定性
分子間水素結合。
安定性は比較的高い。
分子内水素結合 安定性は比較的低い。
例
分子間水素結合。
水、メチルアルコール、エチルアルコール、砂糖などが分子間水素結合の例。
分子内水素結合。
分子内水素結合： O-ニトロフェノール、サリチル酸などが挙げられる。
まとめ – 分子間水素結合と分子内水素結合
分子間水素結合を持つ化合物は、分子内水素結合を持つ化合物よりも安定です。
分子間水素結合は、ある分子と他の分子を結びつけ、結合を維持する役割を担っている。
それとは逆に、分子内水素結合が起こると、分子同士の相互作用が少なくなり、分子同士がくっつく傾向が弱くなる。
その結果、沸点や融点が低下する。
さらに、分子内水素結合を持つ分子は揮発性が高く、蒸気圧も比較的高くなる。
分子間水素結合を持つ化合物は、類似の性質を持つ化合物に容易に溶けるが、分子内水素結合を持つ化合物は容易に溶けることはない。
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“O-Nitrophenol Wasserstoffbrücke” By NEUROtiker – Own work (Public Domain) via Commons Wikimedia
“水分子間の210の水素結合-01” By OpenStax College – Anatomy & Physiology, Connexions Web site. (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia
