分子間力(ファンデルワールス力、クーロン力)

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分子間力としては『ファンデルワールス力』と『クーロン力』がある。

ただし、ファンデルワールス力とクーロン力は全く別物というわけではない。

ファンデルワールス力って何?
ファンデルワールス力は分子間力の1つ。

すべての原子(や分子)の間にはたらく引力。

例えば、メタンやアルゴンにもはたらく。
どういう力?重力?電気的引力?
電気的引力。ただし、クーロン力とは区別される。
けど、メタンは無極性分子で電荷の偏りはないはず・・・。

それなのに、メタンに電気的引力としてファンデルワールス力がはたらくの?
たしかに、無極性分子は電荷の偏りをもたない。

つまり、無極性分子まわりの平均的電場は 0 となっている。

けど、電子は分子内で運動しているから瞬間的には電場が生じている。

つまり、無極性分子は瞬間的に双極性(有極性分子)のようになっている。

これによって分子間に電気的な引力がはたらく。これがファンデルワールス力。
ファンデルワールス力の大きさは?

クーロン力は逆二乗則だから、ファンデルワールス力も逆二乗則?
ファンデルワールス力は分子間の距離の7乗に反比例する。逆7乗則。
距離の7乗!?それなら、距離が近くなるとファンデルワールス力は急激に強くなるね。
そう。実際、メタンやアルゴンの液体はファンデルワールス力による。
むしろ、何で完全にくっついて固体のようにならないの?
引力と反発力の様子は次のように 『 ポテンシャル曲線 』 として表される。



分子間の距離が小さくなると、反発力が急激に増加する。

これにより、極小点 A がつくられ、これが実際の分子間距離に相当する。

ただし、分子間の距離が厳密に極小点 A で固定されているわけではない。
双極子(有極性分子)の場合は、クーロン力がはたらくよね?
そう。その場合は、素直に正電荷と負電荷で電気的な引力がはたらく。
ファンデルワールス力とクーロン力の影響はどちらが強いの?
概ね、作用範囲は [ クーロン力>水素結合>ファンデルワールス力 ] の順番。

つまり、ファンデルワールス力の作用範囲が最も小さい。
具体的に、ファンデルワールス力の作用範囲はどのくらいなの?
分子の直径の3倍程度。

つまり、少し分子間の距離が離れるだけでファンデルワールス力は急減少する。
クーロン力は距離の二乗に反比例するんだよね。
そう。クーロン力は双極子にはたらく。

距離の二乗に反比例するから、分子間距離の増大に対して緩やかに減少する。

だから、クーロン力は比較的に遠くまで影響する。

例えば、水蒸気は水分子で、クーロン力の影響がある。

この場合は水素結合の気体バージョンと見なせる。



参考文献

上平恒 : 水とはなにか,講談社,2013.

次のことについて参考にしました。

○ ポテンシャル曲線の図(p28)

○ クーロン力、水素結合、ファンデルワールス力の作用範囲(p27)