分子の構造と沸点

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今日は珍しく化学の話題。

試験に出てもおかしくない大切な内容です。

 

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さて、今日は分子の形状と融点・沸点の関係についてみていきましょう。

 

普通に考えて、大量の元素で分子が構成されている物質は沸点が高くなることが予想できます。重いぶん、気体になりにくいわけです。

 

しかし、構成元素の数が同じで官能基も全く一緒なのに沸点・融点が異なる物質があります。例として、次の3つの物質を考えてみましょう。

  • 2,2-ジメチルプロパン
  • 2-メチルブタン
  • ペンタン

問題です。これらを沸点が高い順に並べてください!

 

 

thinking time...

 

 

答えは

(高)ペンタン > 2-メチルブタン > 2,2-ジメチルプロパン(低)

です。

 

 

<解説>

なぜ上のような順番になるのか。

それは、分子間にはたらくファンデルワールス力が関係しています。

分子の間に働く力は、分子がより近づき、密着できる方が大きくなるというのは自然な考え方ですね。

 

そこで、2,2-ジメチルプロパンのようにゴツゴツした枝分かれの多い構造をしている分子と、ペンタンのような直線上の分子を比べてみましょう。

どちらがより、近づくことができるでしょうか。

もちろんペンタンですよね。棒のように細長い構造をしているので、狭いスペースに収納しやすいわけです。

(※実際はくねくね折れ曲がっており、直線ではないので注意。)

接近しやすいのでファンデルワールス力も大きくなり、そのぶん沸点も上がる、という理屈です。

 

異性体で沸点が異なるものは他にもあります。たとえばエーテルとアルコールなど。こちらは上とは少々異なる理由なので、各自考えてみてください。

 

この考え方は大学入試でも頻繁に問われるところなので注意しましょう!!

知識として知らなくても、頭を働かせれば答えを出すことができます。

 


 

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化学ワンポイント<窒素>

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今日は「窒素」についてです。

センター試験前の知識整理にどうぞ。

 

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窒素は、原子番号7の元素です。

窒素分子(N2)は、ご存知の通り、私たちの身の回りに最も多く存在している気体です。

空気の組成は、窒素がおおよそ78%、酸素が20%、残りがアルゴン等でした。これも要チェック。

 

N2は反応性が割と低いです。三重結合を取っており、結構安定しているからですね。もし窒素の反応性が高かったら、窒素に囲まれている私たちは安心して生活できませんよね。

 

窒素は通常気体ですが、沸点-196℃を下回ると、いわゆる「液体窒素」となります。

液体窒素は科学実験で頻繁に登場します。テレビ番組で、花を液体窒素に浸したら花がバリバリになった…なんていうのを見たことがあるはずです。

冷却力が高く、かつ安価に手に入るため、低温実験には欠かせません。

 

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窒素原子を含む物質としては、たとえば二酸化窒素(NO2)、硝酸(HNO3)などがあります。

 

二酸化窒素は、「窒素酸化物」と呼ばれる物質群の一員です。

常温・常圧で赤褐色の気体。環境汚染の原因とされています。

(Wikipediaより)

窒素を含む物質を燃焼する際に、副生成物としてほぼ確実に生じてしまいます。

近年は、工場の排気から窒素酸化物を除去するなどの取り組みがなされていますが、脱硫(硫黄酸化物を取り除く)よりも一般的に難しく、研究者が苦労しているようです。

NO2とN2O4の平衡の問題は化学ではしょっちゅう登場するので要注意!

 

硝酸(HNO3)も、化学では欠かせない物質ですね。

硝酸を用いた反応はあまりにたくさんありますが、代表的なもの

などは覚えておきましょう。センター試験でも頻出です。

 

 

窒素についてはお話ししたいことが色々あるのですが、一旦これで区切ります。

ここに述べた内容はどれも重要なので、受験生の皆さんは是非頭に入れておいてください!

 

今日は以上です。

 

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化学ワンポイント<酸素>

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化学の知識の整理のために、ワンポイントアドバイスをしたいと思います。

今日は<酸素>についてです。

 

酸素(oxygen)は、私たちが生きていく上で欠かせない物質です。なんといっても呼吸するのに酸素が必要ですから、誰にとっても、あるいはいつどこにいても酸素はなくてはならない物質ですね。

 

 

酸素の化学的な性質についてまとめておきましょう。

 

酸素は、周期表の8番目に登場する元素です。

重さは水素原子のおよそ16倍。

通常は酸素分子O2として存在します。この時の分子量はもちろん32です。

 

酸素分子以外にも、オゾンO3などの形で存在することがありますが、今日は酸素分子O2のみを扱います。

 

酸素は、物質の燃焼と大きく関係しています。

たとえば水素H2を燃焼させると、次のような反応が起こります。

2H2 + O2 → 2(H2O)

あるいは食品等が腐るのも、酸素と反応するというのが主な原因です。

金属のサビはまさに酸化そのものです。

 

このように、酸素は物体の燃焼や腐食に関係していることがわかります。

自然に起こる反応とそうでない反応があることに注意しましょう。常温、常圧の範囲においては、腐食は自然におこりますが、燃焼は勝手には起こりません。

 

また、酸素は物体が燃焼するのを助ける(助燃性)ものの酸素自身は燃えないのでこれも注意。酸素=燃えるという認識は誤りです。

 

酸素はおよそ-183℃に融点があります。通常の冷媒では実現不可能ですが、液体窒素のような物質を用いると液化することができます。

液化酸素の大きな特徴として、次の二つが挙げられます。

青色をしている

磁性がある

どちらも意外でしょう。液体酸素は、やや薄いですが青色をしています。

学校の先生が授業などで液体窒素を購入していたら、ぜひ液体酸素をつくる実験をやらせてもらってください。いい経験になると思います。

 

またこれも意外でしょうが、液体酸素には磁性があります

…というのは実は不正確な書き方で、本当は気体の酸素にも磁性があるのです!

気体のときは分子の運動が激しすぎて見えにくいのですが、液体酸素は確かに磁石にくっつきます。驚きですね!

 

金属でもないのになぜ磁石にくっつくのかは、大学以降の化学を学ぶと理解できます。お楽しみに。

 

 

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酸素の性質をざっくりまとめました。

どれも重要な知識です。センター試験などで化学を使う人は、ぜひ上のようなことを覚えておきましょう!

 

今日は以上です。

 

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