分子間力とは？水素結合とファンデルワールス力を解説

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水は100°Cで沸騰するのに、分子量がほぼ同じメタンは−162°Cで沸騰する。なぜこれほど違うのか。エタノールは水とどんな割合でも混ざり合うのに、ヘキサンは水にほとんど溶けず二層に分かれる。なぜか。これらの答えはすべて、分子と分子のあいだに働く弱い引力——分子間力（ぶんしかんりょく）にあります。

分子間力は、共有結合のように分子を”つくる”力ではなく、できあがった分子どうしを”引き寄せる”力です。地味に見えますが、物質が固体か液体か気体か、水に溶けるか溶けないか、沸点はいくつか——私たちが日常で出会う物質の性質のほとんどは、この分子間力で決まっています。有機化学でも、化合物の精製・抽出・クロマトグラフィーはすべて分子間力の違いを利用した操作です。

この記事は、物性を体系的に理解したい人から、院試で「沸点の順を分子間力で説明せよ」と問われる人までを対象に、分子間力を解説します。3種類の力を強さの順に整理しましょう。

この記事は、マクマリー有機化学 第2章「極性共有結合・酸と塩基」で学ぶ「分子間力と水素結合」を、1テーマに絞って基礎からくわしく掘り下げる派生解説です。教科書の章とあわせて読むと理解が定着します。

分子間力とは？——結合より弱い引力

分子間力（intermolecular force）とは、分子と分子のあいだに働く引力のことです。共有結合やイオン結合が原子どうしを結びつけて分子を”つくる”力（結合内の力）であるのに対し、分子間力はすでにできた分子どうしを引き寄せる、はるかに弱い力です。

どのくらい弱いかというと、共有結合が数百 kJ/mol の強さを持つのに対し、分子間力はおおむね数〜数十 kJ/mol。この弱さゆえに、分子間力は「分子を壊さずに、集合状態（固体・液体・気体）だけを変える」力として働きます。氷を融かしたり水を沸騰させたりするときに切れているのは、H–O共有結合ではなく分子間力（水素結合）です。

3種類の分子間力——弱い順に

分子間力は、働く仕組みで3種類に分けられます。弱い順に見ていきましょう。前2つ（分散力・双極子相互作用）をまとめてファンデルワールス力と呼びます（どこまでを含むかは、このあとの節で整理します）。

① ロンドン分散力（すべての分子に働く）

ロンドン分散力（分散力）は、電子の運動によって瞬間的に生じる電荷のかたより（瞬間双極子）が、隣の分子に誘起双極子を生み、互いに引き合う力です。極性・無極性を問わずすべての分子に働くのが特徴で、無極性分子（メタン・ヘキサンなど）ではこれが唯一の分子間力です。

分散力の強さは、分子が大きく、電子が多いほど強くなります（分極しやすいため）。だからアルカンは炭素数が増えるほど沸点が上がります。また、同じ分子量でも枝分かれが少なく細長い分子ほど接触面積が大きく、分散力が強くなります（直鎖ペンタンが枝分かれのネオペンタンより沸点が高い理由）。

② 双極子-双極子相互作用（極性分子に働く）

双極子-双極子相互作用は、極性分子どうしが、一方のδ+ともう一方のδ−で引き合う力です。永久的な双極子モーメントを持つ分子（アセトン・クロロメタンなど）に働き、無極性分子より沸点を高くします。分散力に上乗せされる形で効きます。

③ 水素結合（特に強い双極子相互作用）

水素結合は、双極子相互作用のなかでも特別に強いものです。次の節でくわしく扱います。分子間力のなかで最も強く、水やアルコール、DNA、タンパク質の性質を決める主役です。

分子間力	働く分子	相対的な強さ	例
ロンドン分散力	すべての分子	弱い（大きい分子ほど強）	メタン・ヘキサン
双極子-双極子	極性分子	中程度	アセトン・クロロメタン
水素結合	F/O/N–H を持つ分子	強い	水・アルコール・カルボン酸

ファンデルワールス力とは——分子間力との違い

ファンデルワールス力（van der Waals force）とは、分子間力のうち、水素結合やイオンが関わる相互作用を除いた、分子どうしに働く一般的な弱い引力の総称です（IUPAC の定義は近距離の斥力も含みますが、この記事では引力の面を扱います）。中身は、すべての分子に働く分散力と、極性分子の双極子が関わる引力（双極子–双極子力・双極子–誘起双極子力）です。

分子間力との違いは範囲の広さです。分子間力は分子どうしに働く引力すべてを指す言葉で、ファンデルワールス力はその一部です。包含関係を書くと次のようになります。

• 分子間力（分子どうしに働く引力の総称）
  • ファンデルワールス力：分散力、双極子–双極子力、双極子–誘起双極子力
  • 水素結合：F・O・N に結合した H がかかわる特別な引力

つまり、ファンデルワールス力はすべて分子間力ですが、分子間力のすべてがファンデルワールス力というわけではありません。

どこまでを含むかは、本や分野で違う

「ファンデルワールス力」が指す範囲は、教科書や分野によって広くも狭くもなります。IUPAC（国際純正・応用化学連合）の用語集は、化学結合とイオンが関わる静電相互作用を除いた分子間の引力・斥力とし、双極子–双極子力・双極子–誘起双極子力・ロンドン力を含むと定めています。同時に、もっとゆるく、相手を選ばない（nonspecific）分子間の引力・斥力の全体を指して使われることがあるとも注記しています。

使い方	含むもの	どこで見るか
狭い意味	分散力（ロンドン力）だけ	無極性分子どうしの引力を説明するとき。生化学や分子シミュレーションの「ファンデルワールス相互作用」は、分散力と近距離の反発をまとめたものを指すことが多い
IUPACの定義（この記事の立場）	双極子–双極子力・双極子–誘起双極子力・ロンドン力（分散力）。化学結合とイオンが関わる静電相互作用は除く	物理化学・有機化学の教科書
ゆるい使い方	分子間に働く、相手を選ばない引力・斥力の全体	一般向けの解説

どの使い方でも、水素結合はふつう別枠です。水素結合は O–H···O のように相手（F・O・N）が決まっていて、直線に近い配置を好む、向きのはっきりした相互作用です。同じくらいの大きさの分子どうしでは双極子–双極子力より強いので、独立した種類として数えます。答案で迷ったら、どの範囲の意味で使っているかを一言添えると誤解されません。

3つの成分——配向力・誘起力・分散力

• 配向力（キーソム力）：永久双極子どうしの引力。極性分子が δ+ と δ− を向かい合わせる向きにそろうほど強く引き合う。この記事の「双極子-双極子相互作用」にあたる。
• 誘起力（デバイ力）：極性分子の双極子が、隣の分子（無極性でもよい）の電子雲をゆがめて双極子を誘起し、引き合う力。
• 分散力（ロンドン力）：電子の運動で生じる瞬間的な双極子が、隣の分子に双極子を誘起して引き合う力。極性の有無に関係なく、すべての分子に働く。

3つとも、引き合うエネルギーは分子間の距離の6乗に反比例して急激に弱まります（キーソム力がこの形になるのは、分子が熱運動で回転して向きが平均化されるときです）。分子どうしがぴったり接していないと効かないということで、枝分かれの少ない細長い分子ほど沸点が高いのは、接触できる面積が大きいからです。

なぜ「ファンデルワールス」と呼ぶのか

名前はオランダの物理学者ファン・デル・ワールス（J. D. van der Waals）に由来します。彼は1873年の学位論文で、実在の気体が理想気体の式からずれることを説明するため、分子どうしの引力と分子自身の大きさを取り入れた状態方程式を示しました。

(p + a/Vm2)(Vm − b) = RT

  a：分子どうしの引力の大きさ　　b：分子自身の体積の効果　　Vm：モル体積

引力の正体（分散力など）が量子力学で説明されるのはもっと後のことですが、「分子どうしには弱い引力が働いている」ことを式に取り込んだこの仕事にちなんで、分子間の一般的な引力がファンデルワールス力と呼ばれるようになりました。ファン・デル・ワールスは1910年にノーベル物理学賞を受けています。

ファンデルワールス力の具体例——身近な自然現象

ファンデルワールス力は1か所あたりは弱くても、接触する点が多いと大きな力になります。身近な現象で確かめましょう。

ヤモリが壁や天井に張り付ける理由

ヤモリは垂直なガラスを登り、天井を逆さに歩けます。足の裏に吸盤や粘液があるわけではありません。指の裏には剛毛（セタ）と呼ばれる微細な毛がびっしり生えていて、1本の剛毛の先はさらに数百本の細い枝に分かれています。この無数の先端が壁の表面のごく近くまで沿うことで、ファンデルワールス力で引き合います。

これを実験で確かめたのが Autumn らの研究（2002年）です。もし水の表面張力（毛管力）で張り付いているなら、水になじむ親水性の表面のほうがずっと強く付くはずです。そこで彼らは、生きたトッケイヤモリの指の付着力を、水をはじく疎水性のヒ化ガリウムと、表面が酸化された親水性のケイ素ウエハー（二酸化ケイ素）で比べました。さらに単離した剛毛1本を、MEMS（微小電気機械システム）の力センサー上で、疎水性のケイ素と親水性の二酸化ケイ素の表面に付けて比べています。結果は、指では両表面で有意な差がなく、剛毛1本では差が2%しかありませんでした。この結果から彼らは毛管力ではなくファンデルワールス力による付着だと結論し、付着の決め手は表面の化学的性質ではなく先端の大きさと形（幾何）だと述べています。

ただし、その後の研究（Huber ら、2005年）では、湿度が高いほど剛毛の先端1つあたりの付着力が大きくなることが報告されています。ファンデルワールス力が付着の土台であることは変わりませんが、空気中の水分（表面の薄い水の膜）も付着力を左右すると考えられています。

ハロゲンの単体が、気体・液体・固体に分かれる理由

常温で F₂ と Cl₂ は気体、Br₂ は液体、I₂ は固体です。どれも同じ形の無極性の二原子分子なので、働く分子間力は分散力だけです。周期表の下へ行くほど原子が大きく電子が多くなり、電子雲がゆがみやすく（分極しやすく）なるため分散力が強まり、沸点・融点が上がります。貴ガスも同じで、最も電子の少ないヘリウムは約−269°Cまで冷やさないと液体になりません。

黒鉛（グラファイト）がはがれやすい理由

黒鉛は、炭素原子が共有結合で六角形の網目をつくった平面（層）が積み重なった構造です。層の中は強い共有結合ですが、層と層のあいだはファンデルワールス力だけでつながっています。だから層どうしが滑ってはがれやすく、鉛筆の芯が紙にこすれて跡を残します。炭素の同素体の違いは炭素の性質と同素体で扱っています。

アルカンの状態と、ポリエチレンが丈夫な理由

メタンやプロパンは常温で気体、オクタンのように炭素数が中くらいのアルカンは液体、さらに鎖の長いパラフィン（ろう）は固体です。極性がほとんどないアルカンには分散力しか働きませんが、鎖が長いほど接触する部分が増えて、引力の合計が大きくなります。非常に長い鎖からなるポリエチレンが丈夫なのも同じ理由で、くわしくは高分子の物性で扱っています。

水素結合——分子間力の主役

水素結合（hydrogen bond）は、電気陰性度の大きい原子（F・O・N）に結合した水素が、別の分子のF・O・Nの孤立電子対と引き合う特別に強い相互作用です。成立には次の2条件がそろう必要があります。

• 水素供与体：H が F・O・N のいずれかに直接結合していること（O–H、N–H、F–H）。強く分極してHがδ+になる。
• 水素受容体：相手側に F・O・N の孤立電子対があること。

この条件を満たすと、Hが2つの電気陰性原子に挟まれて橋渡しをするような強い引力が生まれます。C–Hは分極が小さいため水素結合をつくれず、「F・O・NについたHだけ」が水素結合できる、と覚えるのが実戦的です。

水素結合が生む劇的な物性

水素結合は、有機化合物の物性を劇的に変えます。代表例を挙げます。

• 水の異常な沸点：H₂Oは分子量18と小さいのに沸点100°C。同族のH₂S（分子量34）が−60°Cなのと比べ、水素結合のぶんだけ突出して高い。
• アルコール＞エーテル：同じ分子量でも、O–Hを持つアルコールは水素結合できるが、エーテル（C–O–C、O–H無し）はできないため、アルコールの方がずっと沸点が高い。
• カルボン酸の二量体：カルボン酸は2分子が2本の水素結合で環状の二量体をつくり、見かけの分子量が倍になって沸点が高くなる。
• 水への溶解：O–HやN–Hを持つ低分子（メタノール・酢酸・グルコース）は水と水素結合できるためよく溶ける。

分子間力の強さの順番——比べるときの注意

同じくらいの大きさの分子どうしで比べると、分子間力の強さは水素結合 ＞ 双極子–双極子相互作用 ＞ 分散力の順です。いずれも共有結合よりはるかに弱い力です。

順	種類	働く条件	ポイント
（参考）	共有結合・イオン結合	原子どうし（分子の中・イオン結晶）	分子間力より1〜2桁強い。沸騰や融解では切れない
1	水素結合	F・O・N に結合した H と、F・O・N の孤立電子対	分子間力の中で最も強い。向きと相手が決まっている
2	双極子–双極子相互作用	極性分子どうし	分散力に上乗せされる
3	分散力	すべての分子	1対あたりは弱いが、分子が大きく電子が多いほど強くなる

ただし、この順番は分子の大きさがそろっているときの話です。分散力は分子が大きく電子が多いほど強くなるので、大きさが違うと逆転します。たとえばデカン C₁₀H₂₂（分子量142）は分散力しか働かない無極性分子ですが、沸点は約174°Cで、水素結合をつくる水（分子量18、沸点100°C）より高くなります。分子1個あたりの接触面積が大きく、分散力の合計が水素結合の効果を上回るからです。

大きさをそろえて比べると、順番どおりになります。分子量がほぼ同じブタン（分子量58、沸点約0°C）、アセトン（分子量58、沸点約56°C）、1-プロパノール（分子量60、沸点約97°C）では、無極性のブタン ＜ 極性のアセトン ＜ 水素結合する1-プロパノールの順に沸点が上がります。

沸点・融点を予測する手順

沸点・融点は「分子どうしを引き離すのに必要なエネルギー」なので、分子間力が強いほど高くなります。有機化合物の沸点の高低は、次の順に考えると予測できます。

1. まず水素結合の有無：O–H・N–Hを持つ分子（アルコール・カルボン酸・アミン）は、同程度の分子量の分子より沸点が高い。
2. 次に極性（双極子相互作用）：水素結合しない分子どうしなら、極性分子（ケトン・エステル）の方が無極性分子より高い。
3. 最後に分子量と形（分散力）：同種の分子間力どうしなら、分子量が大きく細長い（枝分かれの少ない）分子ほど高い。

この3段階で、たとえば「同程度の分子量のブタン・アセトン・プロパノールを沸点順に並べよ」という問いにも、プロパノール（水素結合）＞アセトン（極性）＞ブタン（無極性）と即答できます。分子間力は物性予測の万能ツールなのです。

溶解性——似たものは似たものを溶かす

溶解性の経験則「似たものは似たものを溶かす（like dissolves like）」も分子間力で説明できます。溶質と溶媒が同じタイプの分子間力を持つと、互いに引き合ってよく溶け合います。

• 極性・水素結合性の物質（塩・糖・低級アルコール）は、極性溶媒（水・メタノール）に溶ける。
• 無極性の物質（油脂・炭化水素・多くの有機分子）は、無極性溶媒（ヘキサン・ジエチルエーテル・トルエン）に溶ける。

長い炭化水素鎖を持つ分子（高級アルコール・脂肪酸）が水に溶けにくくなるのは、無極性部分（アルキル鎖）が大きくなり、水素結合できる部分の割合が下がるためです。石けん分子が水と油の両方になじむのは、極性の頭部と無極性の尾部を併せ持つからで、これも分子間力で理解できます。

大学受験・院試での問われ方

• 沸点・融点の順に並べよ：分子量が近い化合物群を、分子間力の違いで序列化させる。
• 水素結合の有無を判定せよ：与えられた分子が水素結合できるか（O/N–Hを持つか）を答えさせる。
• 水への溶解性を説明せよ：官能基と炭化水素鎖の大きさから溶解度を論じさせる。
• 異常な物性の理由：水の沸点が同族水素化物より高い理由などを説明させる。
• 構造異性体の沸点差：直鎖と枝分かれ（分散力の接触面積）の違いで説明させる。

院試で差がつくのは、「水素結合＞双極子＞分散力」という優先順位を機械的に適用したうえで、例外（分子量が大きく違う場合は分散力が逆転しうる）まで押さえることです。分子間力の種類だけでなく、分子量・形の効果を合わせて総合判断できると、複雑な序列問題にも対応できます。

まとめ——分子間力チェックの手順

分子間力は、目に見えない弱い引力でありながら、物質が固体か液体か気体か、水に溶けるか溶けないかという私たちの身近な現象を支配しています。3種類の力を強さの順に整理し、水素結合の条件を押さえれば、有機化合物の沸点・溶解度が構造から予測できるようになります。

極性の強さを数値で表す双極子モーメントについては双極子モーメントで扱っています。双極子モーメントがゼロでも分散力が強い分子があることも、そちらで整理しました。

よくある質問

教科書で通して学ぶなら　大学の講義で使われる定番は『マクマリー有機化学』（上・中・下の全3巻）で、上巻から始まります。ほかの教科書との違いやレベル別の選び方は「大学有機化学のおすすめ教科書を徹底比較」にまとめています。