ロンドン分散力とは？―分子間力の基礎

ロンドン分散力（London dispersion force）は、分子間に働く非常に弱い引力であり、ファンデルワールス力の一種です。この力は、全ての原子や分子間に存在し、特に非極性分子間で重要な役割を果たします。本記事では、ロンドン分散力の基本概念、メカニズム、具体例、及びその応用について詳しく解説します。

ロンドン分散力の基本概念

ロンドン分散力の定義

ロンドン分散力は、電子の一時的な移動により生じる瞬間的な双極子が、隣接する分子や原子に誘起双極子を生じさせることで発生する引力です。ドイツの物理学者フリッツ・ロンドンにちなんで名付けられました。

分子間力とは？

分子間力は、分子同士が引き合ったり反発したりする力の総称であり、化学結合とは異なり分子内ではなく分子間に働きます。分子間力には、ロンドン分散力の他に、静電相互作用や双極子-双極子相互作用などがあります。

ロンドン分散力のメカニズム

瞬間的な双極子

ロンドン分散力の基本原理は、電子の動きによって瞬間的な双極子が生じることです。分子や原子の電子は常に運動しており、この運動によって一時的に電子が偏ることで、双極子が発生します。

誘起双極子

瞬間的な双極子が発生すると、その双極子は隣接する分子や原子に影響を与え、電子分布を一時的に歪ませます。これにより、隣接分子内にも双極子が誘起され、相互に引き合う力が働きます。これがロンドン分散力です。

ロンドン分散力の強さ

ロンドン分散力の強さは、分子や原子の大きさや電子数に依存します。大きな分子や原子、及び電子数が多い場合、瞬間的な双極子の発生頻度が高く、ロンドン分散力も強くなります。

ロンドン分散力の具体例

希ガス原子

希ガス（例：ヘリウム、ネオン）は、非極性分子であり、ロンドン分散力が主な分子間力です。希ガス原子間の相互作用は非常に弱いですが、低温では凝縮し液体または固体状態になります。

アルカン

メタン、エタン、プロパンなどのアルカンは非極性分子であり、分子間に働く力は主にロンドン分散力です。これにより、アルカンは低沸点を持ち、常温では気体または液体状態を保ちます。

生体分子

タンパク質やDNAなどの生体分子間にもロンドン分散力が働いています。これにより、生体分子の三次構造が安定化され、機能が維持されます。

ロンドン分散力の応用

材料科学

ロンドン分散力は、材料科学において重要な役割を果たします。ナノ材料や複合材料の設計では、ロンドン分散力を考慮して分子間相互作用を制御し、材料の特性を最適化します。

医薬品設計

医薬品分子の設計においても、ロンドン分散力は重要です。薬物がターゲット分子と相互作用する際、ロンドン分散力が結合の強さや特異性に影響を与えます。このため、ロンドン分散力を考慮した分子設計が行われます。

分離技術

液液抽出やクロマトグラフィーなどの分離技術では、ロンドン分散力を利用して物質を分離します。特定の分子間相互作用を利用することで、高効率な分離が可能になります。

ロンドン分散力に関する簡易練習問題

問題 1

ロンドン分散力はどのようにして生じますか？

解答

電子の動きによって生じる瞬間的な双極子が、隣接する分子や原子に誘起双極子を生じさせることで発生する。

問題 2

ロンドン分散力の強さは何に依存しますか？

解答

分子や原子の大きさや電子数に依存する。

問題 3

希ガス原子間の相互作用の主な力は何ですか？

解答

ロンドン分散力

問題 4

アルカン分子間に働く主な分子間力は何ですか？

解答

ロンドン分散力

問題 5

ロンドン分散力が応用される技術分野を一つ挙げてください。

解答

材料科学、医薬品設計、分離技術

まとめ

ロンドン分散力は、全ての分子や原子間に存在する非常に弱い引力であり、特に非極性分子間で重要な役割を果たします。

この力は、電子の動きによって生じる瞬間的な双極子と誘起双極子に基づいています。ロンドン分散力は、材料科学や医薬品設計、分離技術など多くの分野で応用されており、その理解と応用は科学技術の発展に寄与します。

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