状態変化とエネルギー
このノートの問いがそのまま復習カードになり、忘れかけたころに出題されます。
根拠は高等学校学習指導要領（平成30年告示）「化学」の内容 (1) ア (ｱ) ㋐「状態変化」。
内容の取扱いは「融解熱や蒸発熱を扱うこと」を求めており、解説は融点・沸点を
「化学結合や分子間力の種類」と関連付けて扱い、分子間力としてファンデルワールス力と
水素結合を扱うとしている。
0. どういう論点か
化学基礎では「固体・液体・気体」と「熱運動」の関係まででした。
ここで問われるのは なぜその物質がその温度で変わるのかです。
答えはいつも同じで、粒子どうしを引き止めている力がどれだけ強いかに戻ります。
| 引き止めている力 | 例 | 融点・沸点 |
|---|---|---|
| イオン結合 | NaCl | 非常に高い |
| 共有結合（結晶全体） | ダイヤモンド・SiO₂ | 最も高い |
| 金属結合 | Fe・Cu | 高い（幅が広い） |
| 水素結合 | H₂O・HF・NH₃ | 分子の割に高い |
| ファンデルワールス力 | CH₄・CO₂・I₂ | 低い |
引っかけの分かれ目は次の 3 つ。
- 蒸発熱のほうが融解熱より大きい（粒子を引き離しきるほうがエネルギーを食う）
- 分子量が大きいほど沸点が高い——ただし水素結合をつくる分子は例外的に高い
- 融点・沸点で比べているのは分子の重さではなく、粒子間に働く力
1. 状態変化に伴う熱
根拠: 学習指導要領 化学-(1)-ア-(ア)-㋐
状態変化は物質の種類を変えませんが、エネルギーは必ず出入りします。
どちら向きの変化かで、吸収するか放出するかが決まります。
固体 1 mol を液体にするのに必要な熱量を何という？
融解熱
単位は kJ/mol。融点で、温度を変えずに吸収される。
液体 1 mol を気体にするのに必要な熱量を何という？
蒸発熱
単位は kJ/mol。沸点で、温度を変えずに吸収される。
同じ物質では、融解熱と蒸発熱のどちらが大きい？
蒸発熱
融解は粒子が動けるようになるだけだが、蒸発は粒子どうしを引き離しきるため。
水では融解熱 6.0 kJ/mol に対し、蒸発熱は 41 kJ/mol（沸点）。
凝縮・凝固のとき、熱は吸収されるか放出されるか？
放出される
蒸発・融解の逆向きなので、同じ大きさの熱が出ていく。
沸騰している水を強く加熱し続けても、温度が 100 ℃ を超えないのはなぜ？
加えた熱が蒸発（状態変化）に使われ、熱運動を激しくする側に回らないから
状態変化が終わるまで温度は動かない。
2. 融点・沸点を決めているもの
根拠: 学習指導要領 化学-(1)-ア-(ア)-㋐
「何℃で融けるか」は、粒子をつなぎ止めている力の種類でほぼ決まります。
結晶の種類を見分けられれば、融点の高い低いは覚えなくても順番が出せます。
粒子間に働く力が大きいほど、融点・沸点はどうなる？
高くなる
引き離すのに大きなエネルギーが要るため。融点・沸点はその力の強さの目安になる。
イオン結晶・分子結晶・共有結合の結晶を、融点の高い順に並べると？
共有結合の結晶 > イオン結晶 > 分子結晶
共有結合の結晶は結晶全体が 1 つの分子（ダイヤモンド・SiO₂）で、いちばん融けにくい。
分子結晶の融点・沸点が低いのはなぜ？
分子どうしを引き止めているのが、結合よりずっと弱い分子間力だから
分子の内部の共有結合を切る必要はなく、分子を引き離すだけでよい。
すべての分子の間に働く弱い引力を何という？
ファンデルワールス力
極性の有無にかかわらず働く。分子が大きい（分子量が大きい）ほど強い。
ハロゲンの単体 F₂・Cl₂・Br₂・I₂ で、沸点がいちばん高いのはどれ？
I₂
分子量が大きいほどファンデルワールス力が強く、沸点が高くなる。
電気陰性度の大きい F・O・N の原子に結び付いた水素原子が、隣の分子の F・O・N と作る強い結合を何という？
水素結合
ふつうの分子間力よりかなり強い。H₂O・HF・NH₃ で働く。
16 族の水素化合物のうち、H₂O だけが H₂S より沸点が高いのはなぜ？
H₂O は分子間で水素結合をつくるから
分子量だけを見れば H₂S のほうが大きく、本来は H₂S のほうが高いはず。
氷が水に浮くのはなぜ？
水素結合によって、氷では分子がすき間の多い構造に固定されるから
固体のほうが密度が小さいという、ほかの物質には見られない性質。
3. 分子間力を見分ける
根拠: 学習指導要領 化学-(1)-ア-(ア)-㋐
問題が聞いてくるのは「どの力が働いているか」です。分子の形と、F・O・N があるかの
2 つを順に見れば決まります。
水素結合が働くかどうかは、何を見れば分かる？
F・O・N に直接結び付いた H があるか
C に結び付いた H では働かない（CH₄ に水素結合は無い）。
極性分子どうしの間には、ファンデルワールス力のほかに何が働く？
極性による静電気的な引力
そのぶん、分子量の近い無極性分子より沸点が高くなる。
分子量がほぼ同じ N₂（28）と CO（28）では、沸点が高いのはどちら？
CO
CO は極性分子で、無極性の N₂ より分子間力が強い。
分子間力・イオン結合・共有結合を強い順に並べると？
共有結合 > イオン結合 > 分子間力
状態変化で切れるのは分子間力だけで、分子内の共有結合は切れない。