ロンドン分散力

ロンドン分散力：物質の性質を決定づける弱い力

ロンドン分散力は、分子や原子間に働く弱い分子間力の⼀種です。物質の様々な性質、特に沸点や凝固点といった物理的性質に大きな影響を与えています。この力は、分子や原子に常に存在する電荷や多極子ではなく、量子力学的な効果によって一時的に生じる電気双極子間の相互作用によって引き起こされます。

一時的な電気双極子と分子間力

無極性分子は、巨視的には電気的に中性に見えますが、ミクロな視点では電子は常に運動しており、その瞬間的な分布によって一時的な電気双極子が生じます。この一時的な電気双極子が、近傍の分子に別の双極子を誘起し、それらが互いに引き合うことでロンドン分散力が発生します。この現象は、オーストリアの物理学者フリッツ・ロンドンによって解明されたため、ロンドン力と呼ばれることもあります。

極性分子と無極性分子

極性分子は、分子内に永久的な電気双極子を持つため、永久双極子間の相互作用がロンドン分散力よりも支配的となります。しかし、無極性分子においては、ロンドン分散力が分子間力を決定づける主要な要因となります。ヘリウムやネオンといった希ガス原子、窒素やメタンといった無極性分子は、ロンドン分散力によって液体や固体となることができます。もしロンドン分散力が存在しなければ、これらの物質は常温常圧で気体状態のままとなるでしょう。

分子サイズとロンドン分散力

ロンドン分散力の強さは、分子の大きさと密接に関連しています。分子が大きいほど、電子雲がより広がり、一時的な電気双極子が生じやすくなります。そのため、より強いロンドン分散力が働くことになります。ハロゲン分子（F₂、Cl₂、Br₂、I₂）を例にとると、分子量が大きくなるにつれて沸点が高くなるのは、ロンドン分散力の強さが増すためです。フッ素と塩素は気体であるのに対し、臭素は液体、ヨウ素は固体であるという違いは、このロンドン分散力の強弱を反映しています。

その他の要因

分子間の距離もロンドン分散力の強さに影響を与えます。分子間距離が近いほど、一時的な電気双極子間の相互作用が強くなり、ロンドン分散力も強まります。また、分子の表面積が大きいほど、相互作用する部分が多くなるため、ロンドン分散力は強くなります。

ファンデルワールス力との関係

ロンドン分散力は、ファンデルワールス力というより広い概念の一部を構成しています。ファンデルワールス力は、分子間における様々な引力と斥力の総称であり、ロンドン分散力に加えて、極性分子間の双極子-双極子相互作用や、誘起双極子間の相互作用なども含まれます。狭義には、ファンデルワールス力はロンドン分散力を指す場合もあります。

まとめ

ロンドン分散力は、一見すると弱い力のように思われますが、物質の物理的性質、特に無極性分子の状態変化を理解する上で極めて重要な役割を果たしています。その強さは、分子の大きさ、分子間距離、表面積など様々な要因に依存し、物質の多様な性質を決定づける上で複雑な相互作用を示しています。この力の理解は、物質科学における様々な現象を解明する上で不可欠です。

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