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第 3 章 で は、 「原子 と 原子 が どう 結 び つく か」 を 学び ます。 原子 が 集まって 物質 を 作る とき、 結 び つき 方 は 大きく 3 種類 あ り ます。
そして 結合 の 種類 が ちがう と、 で きる 結晶 の 性質 (融点・硬さ・電気伝導性 な ど) も 大きく 異 な り ます。
ポイント: 第 2 章 で 学んだ 価電子 が この 章 の 主役 です。 価電子 を やり とり すれば イオン結合、 共有 すれば 共有結合、 自由 に 流す と 金属結合 です。
原子 が 電子 を 失った り 受け取った り して 電気 を 帯 び た 粒子 に なった もの を イオン と 呼び ます。 + の 電気 を 帯 び た もの を 陽イオン (カチオン)、 − の 電気 を 帯 び た もの を 陰イオン (アニオン) と 呼 び ます。
| 種類 | 例 | 価数 | 電子配置 (希ガス と 同じ に なる) |
|---|---|---|---|
| [[陽イオン | ひイオン]] | Na⁺ | +1 |
| [[陽イオン | ひイオン]] | K⁺ | +1 |
| [[陽イオン | ひイオン]] | Mg²⁺ | +2 |
| [[陽イオン | ひイオン]] | Ca²⁺ | +2 |
| [[陽イオン | ひイオン]] | Al³⁺ | +3 |
| [[陰イオン | かげイオン]] | F⁻ | −1 |
| [[陰イオン | かげイオン]] | Cl⁻ | −1 |
| [[陰イオン | かげイオン]] | O²⁻ | −2 |
| [[陰イオン | かげイオン]] | S²⁻ | −2 |
複数 の 原子 が まとまって 1 つ の イオン と なる もの を 多原子イオン と 呼び ます。 高校化学 で 必 ず 覚 え る べ き もの:
| 名前 | 化学式 | 価数 |
|---|---|---|
| アンモニウム イオン | NH₄⁺ | +1 |
| 水酸化物 イオン | OH⁻ | −1 |
| 硝酸 イオン | NO₃⁻ | −1 |
| 炭酸水素 イオン | HCO₃⁻ | −1 |
| 酢酸 イオン | CH₃COO⁻ | −1 |
| 塩化物 イオン | Cl⁻ | −1 |
| 硫酸 イオン | SO₄²⁻ | −2 |
| 炭酸 イオン | CO₃²⁻ | −2 |
| リン酸 イオン | PO₄³⁻ | −3 |
陽イオン と 陰イオン が 静電気力 (クーロン力) で 結 び つく の が イオン結合 です。 一般 に 金属元素 と 非金属元素 の 間 で でき ます。
| 例 | 反応 |
|---|---|
| Na (1 族) + Cl (17 族) | Na → Na⁺ + e⁻、 Cl + e⁻ → Cl⁻、 Na⁺ + Cl⁻ → NaCl |
| Mg (2 族) + 2Cl (17 族) | Mg²⁺ + 2Cl⁻ → MgCl₂ |
| 2Na (1 族) + O (16 族) | 2Na⁺ + O²⁻ → Na₂O |
| Ca (2 族) + O (16 族) | Ca²⁺ + O²⁻ → CaO |
イオン結合 で でき た 物質 は 組成式 で 表します (分子 と し て の 単位 が 存在 し ない ため)。 全体 で 電気 が 中性 に なる よう に、 陽 と 陰 の 比 を 決めます。
| 陽イオン | 陰イオン | 組成式 |
|---|---|---|
| Na⁺ | Cl⁻ | NaCl |
| Na⁺ | SO₄²⁻ | Na₂SO₄ (Na 2 個) |
| Ca²⁺ | OH⁻ | Ca(OH)₂ (OH 2 個) |
| Al³⁺ | SO₄²⁻ | Al₂(SO₄)₃ (3 + 2 の 最小公倍数) |
| NH₄⁺ | NO₃⁻ | NH₄NO₃ |
ポイント: 組成式 の 書き方: ① 陽イオン を 先 に、 ② 電荷 が 中性 に なる 比率 で、 ③ 多原子イオン が 2 個以上必要 な とき は ( ) で くくって 数 を 添 え る (例: Ca(OH)₂)。
非金属元素 の 原子 ど うし が、 電子 を 出し合い、 共有 して 結 び つく の が 共有結合 です。 共有 する 電子対 を 共有電子対 と 呼びます。 H₂、 O₂、 N₂、 Cl₂ など の 単体 や、 H₂O、 CO₂、 NH₃、 CH₄ など の 化合物 が これ に あ た り ます。
共有結合 を 表す と き は、 元素記号 の まわり に 価電子 を 「:」 や 「・」 で 書く 電子式 と、 共有電子対 を 「−」 (棒 1 本 で 1 ペア) で 書く 構造式 の 2 種類 が あ り ます。
| 物質 | 化学式 | 構造式 | 共有電子対 の 数 |
|---|---|---|---|
| 水素 | H₂ | H−H | 1 (単結合) |
| 塩素 | Cl₂ | Cl−Cl | 1 |
| 酸素 | O₂ | O=O | 2 (二重結合) |
| 窒素 | N₂ | N≡N | 3 (三重結合) |
| 水 | H₂O | H−O−H | 2 |
| アンモニア | NH₃ | H−N(−H)−H | 3 |
| メタン | CH₄ | H−C(−H)(−H)−H | 4 |
| 二酸化炭素 | CO₂ | O=C=O | 4 (二重 × 2) |
| 一酸化炭素 | CO | C≡O (1 つ は [[配位結合 | はいいけつごう]]) |
| 種類 | 共有電子対 | 例 |
|---|---|---|
| 単結合 (−) | 1 ペア | H−H、 Cl−Cl、 H−O |
| 二重結合 (=) | 2 ペア | O=O、 O=C=O |
| 三重結合 (≡) | 3 ペア | N≡N、 H−C≡C−H (アセチレン) |
ポイント: N₂ (三重結合) は と て も 安定 で、 空気中 に 約 78 % 存在 する のに 反応 し に く い 理由 です。 一方 O₂ や N=O な ど は 反応性 が あ ります。
通常 の 共有結合 は 「両方 の 原子 が 1 個 ず つ 電子 を 出 し 合う」 です が、 片方 の 原子 だ け が 電子対 を 提供 する 結合 を 配位結合 と 呼び ます。 一度結合 し て し まえ ば、 通常 の 共有結合 と 区別 で き ません。
| 例 | しくみ |
|---|---|
| アンモニウム イオン NH₄⁺ | NH₃ の N が 持つ 非共有電子対 を H⁺ に 提供 し て 4 個目 の 結合 |
| オキソニウム イオン H₃O⁺ | H₂O の O が H⁺ に 電子対 を 提供 |
| 錯イオン ([Cu(NH₃)₄]²⁺ な ど) | 配位子 (NH₃ や H₂O) が 中心金属 イオン に 電子対 を 提供 |
第 2 章 で 学んだ 電気陰性度 は、 共有結合 の 中 で 電子 を 引き寄せる 強 さ を 表 す 値 で した。 結合 し て いる 2 つ の 原子 の 電気陰性度 の 差 が 大き い ほど、 共有電子対 は 電気陰性度 の 大き い 側 に かたよ り、 結合 に 極性 が 生 じ ま す。
| 結合 | 電気陰性度 の 差 | 極性 |
|---|---|---|
| H−H、 Cl−Cl、 N=N | 0 | なし (**[[無極性 |
| H−Cl | 3.0 − 2.1 = 0.9 | あり (Cl 側 が −) |
| H−O | 3.5 − 2.1 = 1.4 | あり (O 側 が −) |
| H−N | 3.0 − 2.1 = 0.9 | あり (N 側 が −) |
| Na⁺ Cl⁻ | 3.0 − 0.9 = 2.1 | 完全 に 移動 → [[イオン結合 |
結合 に 極性 が あって も、 分子全体 と し て は 打ち 消し 合う こと が あ り ます。 分子全体 の 形 (立体構造) が カギ です。
| 分子 | 結合 の 極性 | 分子全体 の 形 | 分子全体 の 極性 |
|---|---|---|---|
| H₂、 N₂、 O₂、 Cl₂ | なし | 直線 | なし |
| CO₂ (O=C=O) | あり | 直線 (左右対称) | 打ち 消す → なし |
| CH₄ | わずか | 正四面体 (上下左右対称) | 打ち 消す → なし |
| H₂O | あり | 折れ線 (104.5°) | **打ち 消さ ない → あり ([[極性分子 |
| NH₃ | あり | 三角 すい | あり |
| HCl | あり | 直線 | あり |
大事: 極性分子 (H₂O、 NH₃、 HCl) は 極性分子 ど うし で 引き 合い、 無極性分子 (O₂、 CO₂、 CH₄) は 無極性分子 ど うし で 引き 合 い ます。 「似た もの ど うし は よ く 溶け 合う」 が 化学 の 大原則 です。 水 (極性) に 油 (CH₄ 系、 無極性) が 溶けない の は こ の ため。
共有結合 は 「分子内 の 結合」 (強い) で すが、 分子 と 分子 の 間 に も 弱い 引力 が あ り ます。 これ を 分子間力 (ファンデルワールス力) と 呼 び ます。
特 に、 H が F、 O、 N と 結 び つい た 分子 ど うし に 働く 強 い 引力 を 水素結合 と 呼 び ます。 水 H₂O が 室温 で 液体 (CH₄ や H₂S は 気体) で あ る の は、 水素結合 の おかげ で す。
| 分子間 の 力 | 強 さ の 目安 |
|---|---|
| [[共有結合 | きょうゆうけつごう]] (内部) |
| [[水素結合 | すいそけつごう]] |
| [[ファンデルワールス力 | ファンデルワールスりょく]] |
金属結合 と は、 金属原子 が 価電子 を 共有 し 合 い、 自由 に 動 く 自由電子 を 持 つ 結合 で す。 金属 イオン (陽イオン) を 自由電子 が 包 み こ む イメージ で す。
自由電子 が 自由 に 動ける こと か ら、 金属 に は 次 の よう な 性質 が あ り ます。
| 性質 | 理由 |
|---|---|
| **[[電気伝導性 | でんきでんどうせい]] (電気 を よ く 通 す)** |
| **[[熱伝導性 | ねつでんどうせい]] (熱 を よ く 伝える)** |
| **[[展性 | てんせい]] (たたく と 広がる)** |
| **[[延性 | えんせい]] (引っ張る と 伸 び る)** |
| **[[金属光沢 | きんぞくこうたく]]** |
| 金属 | 用途 | 特徴 |
|---|---|---|
| 鉄 Fe | 鉄道、 建築、 機械 | 安価 で 強 い、 さび やすい |
| 銅 Cu | 電線 | 電気・熱 を よ く 通す |
| アルミニウム Al | 缶、 サッシ、 飛行機 | 軽 い、 さび に く い (酸化皮膜) |
| 銀 Ag | 装飾、 反射鏡 | 電気・熱 の 伝導 が 最高 |
| 金 Au | 装飾、 電子部品 | さ び ない、 展性・延性 が 最大 |
| 水銀 Hg | 体温計 (旧)、 蛍光灯 | 唯一 の 液体金属 |
物質 が 固体 と し て 規則正しく 並 ぶ と 結晶 に な ります。 結晶 は 結合 の 種類 で 4 種類 に 分かれ、 性質 が 大きく 異 な り ます。
| 結晶 の 種類 | 結合 | 構成粒子 | 例 |
|---|---|---|---|
| **[[イオン結晶 | イオンけっしょう]]** | [[イオン結合 | イオンけつごう]] |
| **[[分子結晶 | ぶんしけっしょう]]** | [[分子間力 | ぶんしかんりょく]] |
| **[[共有結合の結晶 | きょうゆうけつごうのけっしょう]]** | [[共有結合 | きょうゆうけつごう]] |
| **[[金属結晶 | きんぞくけっしょう]]** | [[金属結合 | きんぞくけつごう]] |
| 性質 | イオン結晶 | 分子結晶 | 共有結合の結晶 | 金属結晶 | |---|---|---|---|---| | 融点 | 高 い | 低 い | 非常 に 高 い | 一般 に 高 い | | 硬さ | か た い が もろい | やわらかい | 非常 に か たい (ダイヤ) | 展性・延性 | | 電気 | 固体 で は 通 さ ず、 水溶液・融解液 で 通 す | 通 さ ない | 通 さ ない (黒鉛 を 除 く) | よ く 通 す | | 水 へ の 溶解 | よ く 溶け る も の が 多 い | 溶 け に く い (極性分子 は 例外) | 溶 け な い | 溶 け な い | | 代表例 | NaCl (融点 801 °C) | 氷 (0 °C)、 ドライアイス (−78 °C 昇華) | ダイヤモンド (3550 °C)、 SiO₂ (1710 °C) | Fe (1538 °C)、 Al (660 °C)、 Hg (−39 °C) |
| 観点 | 内容 |
|---|---|
| 構造 | NaCl は **[[面心立方格子 |
| 融点 が 高 い 理由 | 強 い 静電気力 (クーロン 力) で 結合 |
| もろい 理由 | 力 を 加える と 同符号 の イオン が 隣 り 合 い、 反発 で 割 れ る |
| 電気 を 通 す 条件 | 固体 で は イオン が 動 け ず 通 さ な い、 水 に 溶 か す か 加熱 し て 融解 さ せ る と イオン が 動 い て 通 る |
| 観点 | 内容 |
|---|---|
| 構造 | 分子 が ファンデル ワールス 力 や 水素結合 で 並 ぶ |
| 融点 が 低 い 理由 | 分子間力 が 弱 い |
| 昇華 する 例 | ドライ アイス CO₂、 ヨウ素 I₂、 ナフタレン |
| 電気 を 通 さ な い 理由 | 自由 に 動 く 電子 や イオン が な い |
| 観点 | 内容 |
|---|---|
| 例 | ダイヤモンド C、 黒鉛 C、 ケイ素 Si、 SiO₂、 SiC |
| 融点 が 非常 に 高 い 理由 | 分子 の 単位 で な く、 結晶全体 が 1 つ の 巨大 な 共有結合網 |
| ダイヤモンド と 黒鉛 の ちがい | 黒鉛 は 平面内 で 自由電子 が 動 け る た め 電気 を 通 す |
| 観点 | 内容 |
|---|---|
| 構造 | [[体心立方格子 |
| 電気・熱 を 通 す 理由 | 自由電子 が 流 れ る |
| 加工 で きる 理由 | 結合 が ずれて も 切 れ ず、 たたいて 広 げる こと が で き る |
| 合金 | 異 な る 金属 を 混 ぜ て 性質 を 改良: 鋼 (Fe + C)、 黄銅 (Cu + Zn)、 ジュラルミン (Al + Cu + Mg + Mn) |
物質 を 与え ら れ た と き、 「ど の 結合・ど の 結晶 か」 を 判断 する 流れ を 整理 し ます。
| 構成元素 | 想定結合 | 想定結晶 |
|---|---|---|
| 金属 のみ (Fe、 Cu) | [[金属結合 | きんぞくけつごう]] |
| 金属 + 非金属 (NaCl、 CaO) | [[イオン結合 | イオンけつごう]] |
| 非金属 のみ で 巨大構造 (ダイヤ、 SiO₂) | [[共有結合 | きょうゆうけつごう]] (分子 で な く 網) |
| 非金属 のみ で 分子 (H₂O、 CO₂、 I₂) | [[共有結合 | きょうゆうけつごう]] (分子内) + [[分子間力 |
| 化学式 | 結合 と 結晶 | 予想 さ れる 性質 |
|---|---|---|
| KBr | イオン → イオン結晶 | 高融点、 水 に 溶 け る、 電気 は 水溶液 で 通 す |
| H₂S | 共有 → 分子結晶 | 低融点、 水 に わ ず か 溶 け る、 電気通 さ ない |
| Si (ケイ素) | 共有結晶 | 非常 に 高融点、 半導体 |
| Mg | 金属 → 金属結晶 | 銀白色、 熱伝導、 燃 え や すい |
| NH₄Cl | イオン (NH₄⁺ と Cl⁻) | 水 に 溶 け る、 加熱 で 昇華 |
結晶 や 結合 に 関 す る 実験 (NaCl の 結晶観察、 銅 の 電解析出 な ど) で も 第 1 章 の ルール を 守 り ます。
| 薬品 | 危険性 | 対策 |
|---|---|---|
| Na、 K (アルカリ 金属) | 水 と 激しく 反応、 H₂ 発生・発火 | 教師 の デモ 以外 は 扱 わ ない、 灯油中保存 |
| 銅 (II) 化合物 (CuSO₄ 等) | 飲み 込 む と 有害 | 触 れ た 手 を よ く 洗 う |
| 重金属 イオン (Pb²⁺、 Hg²⁺、 Cd²⁺) | 中毒 | 廃液容器 へ 確実 に 分別 |
| 金属 ナトリウム の 廃棄 | 水 と 反応 で 発火 | エタノール で ゆっくり 反応 さ せ て 処理 |
イオン結晶 を 作る とき に 強酸・強塩基 を 使 う こと が あ り ます (NaCl を 中和 で 作る 場合等)。
次 の 章: 第 4 章 で は、 化学計算 の 中心概念 で あ る mol (モル) を 学び ます。 「何 g の 物質 に は 何個 の 原子 が ある か」 を つな ぐ 数 が アボガドロ数 で、 これ が 高校化学 の 計算 の 大黒柱 で す。 mol を 自在 に 扱 え る よう に な れ ば、 化学反応式 か ら 「何 g 反応 し て 何 g で き る か」 が 計算 で き ます。