この 章 で 学ぶ こと
高校化学基礎 の 第 1 章 は、 「化学 と は 何 を する 学問 か」 を 理解 し、 中学 で 学んだ 内容 を 高校流 に 整理 し直す 章 です。 中学理科 の 「原子」 「分子」 「化学反応式」 を 土台 に、 高校 で 1 年半 〜 2 年半学ぶ 化学 の 全体像 を つかみます。
- 物質 を 「純物質」 と 「混合物」 に 分類 できる
- 純物質 を 単体 と 化合物 に 分類 できる
- 元素 と 単体 の ちがい を 説明 できる
- 物理変化 と 化学変化 を 区別 できる
- 同素体 の 例 (酸素 O₂ と オゾン O₃ など) を あげられる
- 化学実験 の 基本安全 ルール を 守れる
ポイント: 中学 で 「物質」 「原子」 「分子」 を 学びました。 高校化学 で は さらに 細かく、 「目 で 見える 物質 の 性質」 と 「目 で 見えない 原子・分子 の ふるまい」 を つなげて 考えます。 この 章 は その 「橋渡し」 の 章 です。
1. 化学 と は 何 か
化学 の 定義
化学 (Chemistry) と は、 「物質 の 構造・性質・変化 を 研究 する 学問」 です。 たとえば 次 の よう な 問い を 化学 は 扱います。
| 問い の 例 | どんな 化学 の 知識 を 使う か |
|---|
| 水 H₂O は なぜ 100 °C で 沸騰 する か | [[分子 |
| 食塩 NaCl は なぜ 水 に よく 溶ける か | [[イオン結合 |
| 鉄 Fe は なぜ さびる か | [[酸化還元 |
| プラスチック は なぜ 燃える か | 有機化合物、 C と H の 結合 |
| 電池 は なぜ 電気 を 流す か | [[酸化還元 |
化学 が 扱う 範囲
化学 は 次 の よう な 大き な 領域 に 分かれます。 高校 で は その 入り口 を 学びます。
| 分野 | 扱う 内容 | 高校 で の 位置 |
|---|
| 無機化学 | H, C, N, O, Na, Cl, Fe など 元素 と その 化合物 (有機 を 除く) | 化学 (発展) |
| 有機化学 | 炭素 C を 中心 と した 化合物 (CH₄, C₂H₅OH, C₆H₆ など) | 化学 (発展) |
| 物理化学 | 化学反応 の エネルギー・速度・[[平衡 | へいこう]] を 数式 で 表す |
| 分析化学 | 物質 を 同定 し、 量 を はかる (滴定・クロマトグラフィー) | 化学基礎・化学 |
| 生化学 | 生命現象 を 化学 で 説明 ([[タンパク質 | たんぱくしつ]]・DNA) |
中学理科 から 高校化学 へ
| 中学 で 学んだ こと | 高校化学 で の 発展 |
|---|
| [[原子 | げんし]] は それ 以上分けられない |
| [[分子 | ぶんし]] は 原子 が 結びついた もの |
| [[化学反応式 | かがくはんのうしき]] で 変化 を 表す |
| [[酸 | さん]]・アルカリ・[[中和 |
| [[酸化還元 | さんかかんげん]] と [[電池 |
大事: 中学化学 で は 「だいたい こう なる」 で OK でしたが、 高校化学 で は 「何 g・何 mol で、 何 g・何 mol が できる か」 と 数値 で 表します。 mol (モル、 第 4 章) が その 鍵 に なります。
2. 物質 の 分類
純物質 と 混合物
身 の まわり の 「もの」 は すべて 物質 です。 物質 は まず 「純物質」 と 「混合物」 に 分類 されます。
| 区分 | 定義 | 例 |
|---|
| **[[純物質 | じゅんぶっしつ]]** | 1 種類 だけ の 物質 で でき て いる |
| **[[混合物 | こんごうぶつ]]** | 2 種類以上 の 物質 が 混 じ って いる |
純物質 の 区別 のしかた
純物質 は 融点 や 沸点 が 一定 の 値 を 示します。 混合物 は 融点・沸点 が 一定 で なく、 沸騰 の 間 に 温度 が 変化 します。
| 性質 | 純物質 | 混合物 |
|---|:---:|:---:|
| 融点・沸点 が 一定 | ○ | ✕ |
| 化学式 で 表せる | ○ | ✕ |
| ろ過・蒸留 で 分けられる | ✕ (分けても 同じ 物質) | ○ |
混合物 の 分離 の 方法
混合物 は さまざま な 分離 操作 で 純物質 に 分けられます。 高校化学 で よく 出る 主な 方法 は 次 の とおり です。
| 方法 | 原理 | 例 |
|---|
| **[[ろ過 | ろか]]** | 液体 と 固体 の ちがい |
| **[[蒸留 | じょうりゅう]]** | [[沸点 |
| **[[分留 | ぶんりゅう]]** | [[沸点 |
| **[[再結晶 | さいけっしょう]]** | 温度 に よる [[溶解度 |
| **[[抽出 | ちゅうしゅつ]]** | 溶媒 へ の 溶けやすさ の ちがい |
| **[[昇華法 | しょうかほう]]** | [[昇華 |
| クロマトグラフィー | 吸着 の しやすさ の ちがい | 葉 の 色素 を 分ける |
ポイント: 蒸留 と 分留 は どちら も 「沸点 の ちがい」 が 原理 です が、 1 回 の 加熱 で 終わる の が 蒸留、 連続的 に 何段 も くりかえし て 細かく 分ける の が 分留 です。
単体 と 化合物
純物質 は さらに 「単体」 と 「化合物」 に 分けられます。
| 区分 | 定義 | 例 |
|---|
| **[[単体 | たんたい]]** | 1 種類 の [[元素 |
| **[[化合物 | かごうぶつ]]** | 2 種類以上 の [[元素 |
物質 の 分類 まとめ
| 大分類 | 小分類 | 具体例 |
|---|
| 物質 → [[純物質 | じゅんぶっしつ]] → **[[単体 | たんたい]]** |
| 物質 → [[純物質 | じゅんぶっしつ]] → **[[化合物 | かごうぶつ]]** |
| 物質 → **[[混合物 | こんごうぶつ]]** | — |
3. 元素 と 単体
元素 の 定義
元素 と は、 「物質 を 構成 する 基本的 な 成分」 を 表す 概念 です。 現在、 自然 に 存在 する 元素 は 約 90 種類、 人工的 に 作られた もの を 含めると 118 種類 が 知られて います。
代表的 な 元素 と 元素記号 (一部) を 示します。
| 元素 | 記号 | 由来 |
|---|
| 水素 | H | Hydrogen (水 を 作る もの) |
| ヘリウム | He | Helium (太陽 を 意味 する Helios) |
| 炭素 | C | Carbon |
| 窒素 | N | Nitrogen |
| 酸素 | O | Oxygen |
| ナトリウム | Na | Natrium (ラテン語) |
| マグネシウム | Mg | Magnesium |
| アルミニウム | Al | Aluminium |
| 硫黄 | S | Sulfur |
| 塩素 | Cl | Chlorine |
| カリウム | K | Kalium (ラテン語) |
| カルシウム | Ca | Calcium |
| 鉄 | Fe | Ferrum (ラテン語) |
| 銅 | Cu | Cuprum (ラテン語) |
| 銀 | Ag | Argentum (ラテン語) |
| 金 | Au | Aurum (ラテン語) |
元素 と 単体 の ちがい
「元素」 と 「単体」 は 中学 で は あいまい に 使われがち でした が、 高校化学 で は 厳密 に 区別 します。
| 用語 | 意味 | 文 の 例 |
|---|
| **[[元素 | げんそ]]** | 物質 を 構成 する 基本成分 (概念的) |
| **[[単体 | たんたい]]** | その 元素 だけ で でき た 実在 の 物質 |
文 を 見て 判断 する コツ:
- 「○○ の 元素」 → 概念 (中身 を 指して いる)
- 「○○ の 単体」 → 実在 する 物質 (ガス や 金属 など)
大事: 「水 は 水素 と 酸素 で でき て いる」 と 言う とき の 「水素」 「酸素」 は 元素 を 指します。 「水素 ガス を 集めた」 と 言う とき の 「水素 ガス」 は 単体 (H₂) です。 文脈 で 使い分け ましょう。
元素 を 確認 する 方法
ある 物質 に どんな 元素 が 含まれて いる か を 調べる 方法 と し て、 高校化学 で は 次 の 例 が 出 ます。
| 方法 | 確認 できる 元素 | しくみ |
|---|
| **[[炎色反応 | ほのおしょくはんのう]]** | Na (黄)、 K (赤紫)、 Li (赤)、 Ca (橙赤)、 Ba (黄緑)、 Cu (青緑) |
| **[[沈殿反応 | ちんでんはんのう]]** | Cl⁻ (白沈)、 SO₄²⁻ (白沈)、 Ag⁺ (黒褐色) |
| **[[気体 | きたい]] の [[捕集 | としゅう]]** |
4. 同素体
同素体 と は
同素体 と は、 「同じ 元素 から なる 単体 で あり ながら、 性質 が ちがう もの ど うし」 を 指 します。 原子 の つながり方 や 結晶 の 構造 が ちがう ため に、 色・融点・硬さ・電気伝導性 など が 大きく 異なります。
高校 で よく 出る 同素体
| 元素 | 同素体 の 例 | 性質 の ちがい |
|---|
| 酸素 O | 酸素 O₂、 オゾン O₃ | O₂ は 無色無臭、 O₃ は 淡青色・特有 の におい・強 い [[酸化作用 |
| 炭素 C | ダイヤモンド、 黒鉛 (グラファイト)、 フラーレン (C₆₀)、 カーボンナノチューブ | ダイヤモンド は 無色透明・最高 の [[硬さ |
| 硫黄 S | 斜方硫黄 S₈、 単斜硫黄 S₈、 ゴム状硫黄 | 結晶 の 形 や [[弾性 |
| リン P | 黄リン (白リン) P₄、 赤リン | 黄リン は 自然発火性・有毒、 赤リン は 比較的安定・マッチ の 側薬 |
炭素 の 同素体 を くらべる
| 同素体 | 構造 | 色 | 硬さ | 電気 | 用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| ダイヤモンド | 正四面体 が くりかえす 共有結合 の 結晶 | 無色 | 最高 | 通さない | 宝石、 切削工具 |
| 黒鉛 | 平面状 の 層 が ファンデル ワールス 力 で 重なる | 黒 | やわらかい | よく 通す | 鉛筆 の しん、 電極 |
| フラーレン C₆₀ | サッカー ボール 型 の 分子 | 黒 | — | 半導体的 | 研究、 材料開発 |
| カーボンナノチューブ | 黒鉛 を 筒状 に 巻いた 構造 | 黒 | 非常 に 強い | 通す | 高強度材料、 半導体 |
ポイント: 「同素体」 は 同じ 元素 の 単体 ど うし で す。 「水 H₂O と 過酸化水素 H₂O₂」 や 「メタン CH₄ と エタン C₂H₆」 は 化合物 ど うし な の で 同素体 で は ありません。 必ず 「単体 ど うし」 と いう 条件 を 思い出して ください。
5. 物理変化 と 化学変化
物理変化
物理変化 と は、 「物質 そ の もの は 変わ ら ず、 形 や 状態 (固体・液体・気体) だけ が 変わる 変化」 です。
| 例 | 何 が 変わる か | 物質 は ? |
|---|
| 氷 が とけて 水 に なる | 状態 (固体 → 液体) | H₂O の まま |
| 水 が [[蒸発 | じょうはつ]] する | 状態 (液体 → 気体) |
| 砂糖 が 水 に 溶ける | 形 (粒 → 水溶液) | 砂糖 と 水 の まま |
| 鉄 を 細かく 切る | 形 (大き さ) | Fe の まま |
化学変化
化学変化 (化学反応) と は、 「もと の 物質 と は 別 の 物質 が 生じる 変化」 です。 化学反応式 で 表せます。
| 例 | 反応式 | 何 が 起こる か |
|---|
| 水素 が 酸素 と 反応 して 水 が できる | 2H₂ + O₂ → 2H₂O | 別 の 物質 (水) が できる |
| 鉄 が 燃 え て 酸化鉄 に なる | 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ | 別 の 物質 (酸化鉄) が できる |
| 炭酸水素 ナトリウム が 加熱 で 分解 | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ | 3 種類 の 別 の 物質 が できる |
| 塩酸 と 水酸化 ナトリウム が 中和 | HCl + NaOH → NaCl + H₂O | NaCl と H₂O が できる |
物理変化 と 化学変化 の 見分け 方
| 観点 | 物理変化 | 化学変化 |
|---|---|---|
| 別 の 物質 が できる か | できない | できる |
| 化学式 が 変わる か | 変わら ない | 変わる |
| もと に もどせる か | 多く は もどせる (氷 ↔ 水) | もどし にくい (一般 に) |
| 例 | 融解・蒸発・凝固・溶解 | 燃焼・中和・酸化・還元・分解・化合 |
状態変化 (物理変化 の 代表)
| 名称 | 変化 |
|---|
| **[[融解 | ゆうかい]]** |
| **[[凝固 | ぎょうこ]]** |
| **[[蒸発 | じょうはつ]] / [[沸騰 |
| **[[凝縮 | ぎょうしゅく]]** |
| **[[昇華 | しょうか]]** |
| **[[凝華 | こごはな]] (析出)** |
大事: 「燃 え る」 「さ び る」 「腐 る」 「爆発 す る」 「色 が 変 わ る」 は 化学変化 の サイン です。 一方、 「形 が 変 わ る」 「溶 け る」 「蒸発 す る」 「冷 え る」 は 物理変化 の こ と が 多 い です。
6. 化学 を 学ぶ ため の 道具
よく 使う 実験器具
高校化学 の 実験 で は、 中学 と 同じ 器具 に 加 えて、 高校 で 新しく 出 て くる 器具 が あります。
| 器具 | 使い方 |
|---|
| ビーカー | 反応 を 起こす、 物質 を 溶かす (体積 は 正確 で ない) |
| メスシリンダー | 液体 の 体積 を 1 mL 単位 で はかる |
| ホールピペット | 一定体積 (10 mL など) を 正確 に は かる |
| メスフラスコ | 一定体積 (100 mL など) の [[標準溶液 |
| ビュレット | [[滴定 |
| こまごめピペット | 少量 の 液 を 移す (ゴム 球付き) |
| [[試験管 | しけんかん]] |
| ガスバーナー | 加熱 |
| [[電子天秤 | でんしてんびん]] |
単位 と 接頭語
化学 で は SI 単位 を 使います。 数 が 大き い とき・小さい とき は 接頭語 を 使います。
| 接頭語 | 記号 | 倍率 |
|---|
| キロ | k | 10³ (1 000) |
| ヘクト | h | 10² (100) |
| (基本) | — | 1 |
| ミリ | m | 10⁻³ (0.001) |
| マイクロ | μ | 10⁻⁶ |
| ナノ | n | 10⁻⁹ |
| ピコ | p | 10⁻¹² |
| 物理量 | 単位 | 例 |
|---|
| 質量 | g (グラム)、 kg | 1 kg = 10³ g |
| 体積 | L (リットル)、 mL | 1 L = 10³ mL = 10³ cm³ |
| 物質量 | mol (モル) | 第 4 章 で 学ぶ |
| 温度 | K (ケルビン)、 °C | T [K] = t [°C] + 273 |
| 圧力 | Pa (パスカル) | 1 atm ≒ 1.013 × 10⁵ Pa |
| 濃度 | mol/L | [[モル濃度 |
有効数字
実験 で 得られた 数値 は 有効数字 を 意識 し て 書 きます。 たとえば 「2.50 g」 と 「2.5 g」 は 同じ 値 で も 精度 が ちがう こと を 表します。
- 2.5 g → 有効数字 2 桁 (2.45 〜 2.55 の 間)
- 2.50 g → 有効数字 3 桁 (2.495 〜 2.505 の 間)
- 0.025 → 0 は 桁 を 表す だ け なので 有効 で なく、 有効数字 は 2 桁
掛け算・割り算 の 結果 は、 使った 数値 の 中 で いちばん 少ない 桁数 に そろえます。
7. 化学実験 の 安全配慮
一般的 な 安全 ルール
| 項目 | 内容 |
|---|
| 服装 | [[白衣 |
| 目 の 保護 | **[[保護メガネ |
| 手 の 保護 | 強い [[薬品 |
| 換気 | ドラフトチャンバー (排気装置) で 揮発性 の 薬品 を 扱う |
| 食事 | 実験室 で 飲食禁止、 ピペット を 口 で 吸わ ない |
| 緊急時 | シャワー・アイウォッシュ・[[消火器 |
化学薬品 の 取扱
| 薬品 | 危険性 | 対策 |
|---|
| **濃[[硫酸 | りゅうさん]]** H₂SO₄ | 強い [[脱水 |
| **濃[[塩酸 | えんさん]]** HCl | 揮発性、 刺激臭、 [[強酸 |
| **濃[[硝酸 | しょうさん]]** HNO₃ | [[強酸 |
| 水酸化 ナトリウム NaOH | [[強塩基 | つよえんき]]、 皮膚 を 溶かす |
| アンモニア NH₃ 水 | 刺激臭、 目 に しみる | 換気、 こまごめピペット |
| 有機溶媒 (アセトン・エーテル) | 引火性 | 火気厳禁、 換気 |
強酸・強塩基 を 扱う 注意
- 薄める とき は 必ず 「水 → 酸」 の 順 で 加える (硫酸 は 水 に 加える、 逆 は 突沸 で 危険)
- 皮膚・目 に 付いた ら すぐ に 大量 の 流水 で 15 分以上洗う + 保健室 へ
- 服 に 付いた 場合 は すぐ に 脱ぐ
加熱・ガラス 器具 の 注意
| 場面 | 注意 |
|---|
| 加熱 | ガスバーナー の 元栓 → 空気 → 燃料 の 順 で 開ける、 消す と き は 逆 |
| 試験管加熱 | 口 を 自分 や 他人 に 向け ない、 [[沸騰石 |
| ガラス 破損 | [[軍手 |
| 廃棄 | 流し に 捨て ない、 [[廃液 |
8. ふりかえり
この 章 で 学んだ こと を 確認 し ましょう。
- [ ]化学 は 物質 の 構造・性質・変化 を 研究 する 学問 で ある と 言える
- [ ]純物質 と 混合物 を 区別 でき、 混合物 の 分離方法 (ろ過・蒸留・分留・再結晶 な ど) を あげ ら れる
- [ ]純物質 を 単体 と 化合物 に 分け ら れる
- [ ]元素 と 単体 の ちがい (概念 vs 実物) を 文 で 説明 でき る
- [ ]同素体 の 例 (酸素 O₂ と オゾン O₃、 ダイヤモンド と 黒鉛 な ど) を あげ ら れ る
- [ ]物理変化 と 化学変化 の 見分け 方 を 言え る
- [ ]ホールピペット・メスフラスコ・ビュレット の 用途 を 説明 でき る
- [ ]有効数字 を 意識 し て 数値 を 書け る
- [ ]化学実験 の 基本安全 ルール (保護メガネ・換気・ドラフト・薬品 の 扱い) を 守れ る
この 章 の 安全配慮
- 保護メガネ は 全実験 で 必須 (薬品・破片 が 目 に 入る と 失明 リスク)
- 濃硫酸 を 薄める と き は 「水 に 酸」 を 守 る (逆 は 突沸 し 大やけど)
- 強酸・強塩基 が 皮膚 に 付いた ら 大量 の 水 で 15 分以上洗う
- 加熱 し た 試験管 の 口 を 自分 や 他人 に 向け ない (突沸 で 中身 が 飛 び 出 す)
- 廃液 は 流し に 捨て ず、 廃液容器 に 分別 (環境・配管 を 守 る)
次 の 章: 第 2 章 で は、 原子 の 内部構造 (陽子・中性子・電子) と 周期表 を 学び ます。 中学 で は 「原子 は それ 以上分け ら れ ない」 と 学び ました が、 高校化学 で は 原子 の 中 を のぞき、 「電子配置 が 元素 の 性質 を 決める」 こと を 知 ります。 周期表 が なぜ あの 形 を し て いる の か、 その 答え も 見えて きます。
**化学実験用 ガラス 器具** — [[ビーカー]]・[[三角フラスコ|さんかくフラスコ]]・[[メスシリンダー]]・[[試験管|しけんかん]] など。 高校化学 の 実験 で 必ず 使う 基本道具。
**[[蒸留|じょうりゅう]]装置** — 丸底 フラスコ で 液体 を 加熱 し て 気化 さ せ、 [[リービッヒ冷却管|リービッヒれいきゃくかん]] で 冷 や し て 凝縮、 三角フラスコ に 集 め る。 海水 → 真水、 ワイン → エタノール の よう に **沸点差** を 利用 し て [[混合物|こんごうぶつ]] を [[分離|ぶんり]] す る 代表的 な 操作。