化学結合と結晶

１）化学結合と結晶

物質　＝　多数の粒子（原子・分子・イオン）によって構成される。

結晶　＝　構成粒子が互いに引き合い、規則正しく配列した固体

構成粒子の種類（原子・分子・イオン）によって作用する引力が異なるので、構成粒子と粒子間に作用する引力をセットでおさえる。

イオン結合とイオンからなる物質

�@イオン　

　　　安定な原子：最外殻の電子数が８個（価電子０）のもの･･･希ガス元素だけ。

不安定な原子：希ガス以外の元素　

　　☆多くの原子は、安定化するため、電子（−の粒子）を放出したり、受け取ったりして最外殻の電子数が８個（Ｋ殻しかないものは２）つまり価電子０の状態になる。この状態がイオンである。

※　上記のように原子が単独でイオンになったものを単原子イオンという。単原子イオンは、原子の最外殻の電子数からどんなイオンになるか判断できる。

数種類の原子が結合してイオンになったものを多原子イオンという。これは覚える。

　　　　

�Aイオン結合とイオン結晶

　　　陽イオンと陰イオンは、電気的な力（静電気力またはクーロン力という）によって結合する。これをイオン結合という。また、イオン結合によって、生じる結晶がイオン結晶である。

　�B結晶格子　

　　結晶の構成粒子の配列を示したものを結晶格子といい、その最小単位を単位格子という。塩化ナトリウム型と塩化セシウム型がある。

  粒子の計算例：　塩化ナトリウム型の場合

 　　　　　　　 　　　　　　　　　Cl^-

Na⁺

　配位数の例：　塩化ナトリウム型の場合

立方体の中心にある粒子（この場合はCl^-）に着目する。この粒子から最も近い原子を数える。下の図で、立方体の中心である●から最も近　いのは○の6個。

２)共有結合と共有結晶

共有結合と電子式

　　�@電子式　･･･　最外殻電子を「・」で元素記号のまわり（上下左右）に添付した式

　

　　例) 炭素C，水素Ｈ，窒素Ｎ，酸素Ｏ，塩素Cl，ケイ素Si，硫黄S，フッ素F

�A電子対と不対電子

電子は２個で対をつくり、対になったものを電子対という。また１個で存在する電子を不対電子という。

�B共有結合　･･･　非金属元素どうしの結合

　　　金属元素と非金属元素の結合では、それぞれ陽イオン，陰イオンとなって安定化し、静電気力により結合（イオン結合）した。では、非金属元素どうしでは、陰イオンどうしは反発し合うので、結合できない。非金属元素どうしは、別の方法で安定化し結合する。この結合は、互いの不対電子を共有し合って、互いに安定化（最外殻電子8、ただしK殻しかないものは2に）することによって結合する。この結合を共有結合という。

問題１　　水Ｈ_２Ｏ，二酸化炭素ＣＯ_２，窒素Ｎ_２を電子式で表せ。

共有結合と分子

共有結合によってできた物質を分子という　･･･　分子は非金属元素どうしで構成される

　分子の表し方

構造式は１組の共有電子対を価標「−」で結ぶ。

３）配位結合と錯イオン

配位結合

　　　アンモニウムイオンNH₄^＋とオキソニウムイオンH₃O^＋について考える。

NH₄^＋：アンモニアNH₃分子に水素イオンH^＋が結合した形。

H₃O^＋：水H₂O分子にH^＋が結合した形。

　　　これを電子式で考えると次のようになる。

NH_３には非共有電子対がある。H^＋はHが電子を放出して陽イオンになっているので、空の電子殻を持っている。共有結合は、２つの原子がそれぞれの不対電子を出し合って、それを互いに共有するが、この場合NH_３が持っている非共有電子対をH^＋が共有させてもらう形で結合する。また、結合してしまえば、どのＨも同じであるので、全体で＋になる）。H₃O^＋の場合も同様の原理でH₂OにH^＋が結合している。このように一方が持っている非共有電子対に、電子をもっていない他方が結合する共有結合を配位結合という。

　　NH₄^＋やH₃O^＋を配位結合していることを表すために次のように示すことがある。

錯イオン

金属の陽イオンが分子やイオンがもつ非共有電子対に配位結合したものを錯イオンという。　　　　　　　　

↓

　　　　　　　　　　　　配位子という。ＮＨ_３，Ｈ_２Ｏ，ＯＨ⁻，ＣＮ⁻，Ｃｌ⁻などがある

　例）[Ａｇ(ＮＨ_３)_２]^＋　銀イオンＡｇ^＋がアンモニア分子２つに配位結合している。

錯イオンについての補足

�@配位数

　　　金属イオンに配位する配位子の数を配位数といい、金属イオンの種類にのよりほぼ決まっている。

　�A電荷数

錯イオンの電荷数は、金属イオンと配位子の電荷の和になる。

例：[Ｃｕ(ＮＨ_３)₄]^２＋→　Ｃｕ^２＋＝＋２,　ＮＨ_３＝０　･･･　＋２＋０×４＝＋２

�B錯イオンの形・・・錯イオンの形は、その配位数によって次のような形をとる。

 

直線型（２配位），正方形（４配位），正四面体（４配位），正八面体（６配位）

�C錯イオンの名称

　　　錯イオンの名称は、（配位数）・（配位子名）・（中心金属名）・（金属イオンの酸化数）の順で呼び、最後にイオン（陽イオンのとき）または酸イオン（陰イオンのとき）をつける。

配位数　→　モノ(1)，ジ(2)，トリ(3)，テトラ(4)，ペンタ(5)，ヘキサ(6)

配位子名→　ＮＨ_３（アンミン），ＣＮ⁻（シアノ），Ｃｌ⁻（クロロ），Ｈ_２Ｏ（アクア），ＯＨ⁻（ヒドロキソ）

　　　　例：[Ａｇ(ＮＨ_３)_２]^＋　ジアンミン銀（�T）イオン　　　

[Ｃｕ(ＮＨ_３)₄]^２＋ テトラアンミン銅（�U）イオン

　　　　　  [Ｆｅ(ＣＮ)_６]^４− ヘキサシアノ鉄（�U）酸イオン　　

[Ｆｅ(ＣＮ)_６]^３− ヘキサシアノ鉄（�V）酸イオン

４）分子の極性

電気陰性度

原子には電子を引きつける力がある。この強さを表す尺度を電気陰性度という。陰イオンになりやすい元素（素非金属元素：周期表では右寄り）の方が大きい。最外殻が原子核に近い元素（周期表では上）の方が大きい。

☆周期表上では希ガス（18族：最も右側）を除いて右上にある原子ほど大きくなる。希ガス元素は安定な元素で、他の原子と結合することはないので希ガスの電気陰性度は求められていない。

極性

異種原子間の共有結合では共有電子対は電気陰性度の大きい元素の原子の方に偏って存在する。結合で電子に偏りがあることを、結合に極性があるという。極性の大きさは、原子間の電気陰性度の差に比例する。よくでてくる元素の電気陰性度の大きさは、F > O > N = Cl > C > Hである。

極性分子

　　　分子全体で見たときに電子の偏りがあるものを極性分子という。

例　HCl　極性分子　　CH₄ 無極性分子　　　

☆　δ（デルタ）は電子の偏りを表し、δ−の方に電子が偏っている。　→　は電子の偏りの向きを表す。分子全体でベクトルの和が0になる分子は無極性分子となる。

問題2　次の分子は極性分子か無極性分子か。　�@　Cl₂　�A　CO₂　�B　NH₃　�C　H₂O

　各分子の形から、分子全体ベクトルを考えて判断する。

�@同一の原子の結合だから、極性は生じない。無極性。　　�A直線だから、ベクトルの和は0になるので無極性　　

�B三角錐で、ベクトルの和は0にならないので、極性　　�C折れ線で、ベクトルの和は0にならないので、極性

５）結合エネルギー

結合エネルギー

　　気体分子内の２原子間の共有結合を切り離すのに必要な結合1molあたりのエネルギーを結合エネルギーという。（単位：kJ/mol）

　（例）Ｈ−Ｈの結合エネルギー　432kJ/mol

      H₂ → 2H – 432kJ

意味･･･　Ｈ_２分子（Ｈ-Ｈ）の結合を切って、水素原子（2H）にするのに要するのに必要なエネルギーが１モルあたり432kJである。

（表）結合エネルギー（kJ/mol）

結合エネルギーと反応熱

　　分子を構成している分子間の結合エネルギーが分かっていると、気体状態において分子が反応するときの反応熱を求めることができる。

　　注意）結合エネルギーは物質が気体の状態のときでないと使うことができない。

（例）ＨＣｌの生成熱を上の結合エネルギー（表）を用いて求めよ。

（解法１）

熱化学方程式を連立させて求める。 結合エネルギーは方程式の右辺に付けるとき「−」になることに注意。

（解法２）

次の関係式を利用する。

　反応熱＝（生成物の結合エネルギーの総和）−（反応物の結合エネルギーの総和）

 注意）（A）の方程式を移行させて、

反応熱＝（反応物の結合エネルギーの総和）−（生成物の結合エネルギーの総和）にしないように。

問題3　�@次の熱化学方程式を用いて、Ｎ≡Ｎの結合エネルギーを求めよ。ただし、H-H，N-Hの結合エネルギーはそれぞれ、436 kJ/mol，390kJ/moとする。l

熱化学方程式　Ｎ_２　＋　３Ｈ_２　＝　２ＮＨ_３　＋　92.2ｋＪ

Ｎ≡Ｎの結合エネルギーをx kJ/molとし、反応熱＝（生成物の結合エネルギーの総和）−（反応物の結合エネルギーの総和）を利用する。

生成物の結合エネルギーの総和

NH₃の中には、N-Hの結合が3つあるので、NH₃の結合エネルギーの総和は、390×3kJ/mol。 係数が2なので、390×3×2kJ。

反応物の結合エネルギーの総和

　　　　　　Ｎ_２の結合エネルギー　＋　Ｈ_２の結合エネルギー×3 = x + 436×3 kJ。

　　　　　　つまり、　92.2 = 390×3×2 –( x + 436×3) ， x　=939.8 ≒ 940 [kJ/mol]

�A Ｈ_２Ｏ(液)の生成熱を求めよ。ただし、H-H，O=O，H-Oの結合エネルギーはそれぞれ、436kJ/mol，494kJ/mol，463kJ/molである。また、水の蒸発熱は41kJ/molである。

　　　　　　結合エネルギーは分子が、気体の状態のときでなと使えない。そこで、一度、H₂O(気)の生成熱を求めて、H₂O(液)　にする。

　　　　　　反応熱＝（生成物の結合エネルギーの総和）−（反応物の結合エネルギーの総和）より、

生成物の結合エネルギー H₂OにはH-Oが2つあるので、463×2[kJ]

水の生成熱は41kJ/molなので、H₂O（液） = H₂O（気） - 41kJ ・・・（３）

（１） = （２）-（３）　より、　Q₁ = 243 – (-41) = 284 [kJ/mol] 

６）共有結晶

多数の原子が全て共有結合によって連なり、規則正しく配列している結晶を共有結晶という。炭素の単体，ケイ素の単体，二酸化ケイ素ＳｉＯ_２，炭化ケイ素ＳｉＣ等

特徴：融点が高い，電気をほとんど導かない，かたい，水に溶けにくい(黒鉛は例外)

７）分子結晶と分子間の相互作用

分子結晶

　　多数の分子が規則正しく配列してできた結晶を分子結晶という。

　　分子間の引力： 分子間力（ファンデルワールス力）･･･全ての分子間で生じる

　　　　　　　　　　　  水素結合　･･･　全ての分子間で生じるわけではない。

特徴：イオン結晶や共有結晶に比べ融点・沸点が低い，電気を導きにくい，柔らかい，昇華するものがある。これは、分子間力がイオン結合や共有結合に比べて、弱い結合であるためである。

結合の強さ　・・・　分子間力，水素結合 << イオン結合，共有結合

昇華性がある分子　

ドライアイスCO₂，ヨウ素I₂，ナフタレンC₁₀H₈，ｐ−ジクロロベンゼンC₆H₄Cl₂

分子間の相互作用

　　�@分子間力

分子間に働く引力で、イオン結合や供給結合よりも弱い結合である。分子量に比例するので、融点・沸点は分子量が大きいほど高くなる。

　　�A水素結合

　　　下のグラフより、H₂O，HF，NH₃は分子量の割に沸点が著しく高い。

（理由）H₂O，HF，NH₃分子中のO-H，F-H,N-Hは特に極性が大きく、次のような分子間力より強い水素結合が生じるため、

８）金属結合と金属の結晶

金属結合

　　金属元素どうしの結合を金属結合という。金属元素は多数の原子が集まって結合し、結晶となっている。金属の原子は一般的にイオン化エネルギーが小さく、価電子を放出して陽イオンになりやすい。金属の原子が多数で結合するときは、まず各金属原子が価電子を放出して陽イオンになる。陽イオンどうしは反発しあうので、直接結合することはないが、放出された電子によって、陽イオンどうしが集まる。この電子は陽イオンの間を自由に動き回ることができる。このような電子を自由電子という。金属の結晶は金属のイオン（陽イオン）が自由電子によって互いに引き合って結合していることになる。つまり、金属の結晶を構成している粒子は陽イオンと電子である。

金属の特徴  　

金属光沢がある。光に対して不透明で，光を強く反射する。大きな熱伝導性と電気伝導性をもつ。これは、自由電子の移動によって熱や電気のエネルギーが容易に運ばれるからである。

固体の状態で、線に引くことができる延性や箔状にすることができる展性に富む。この性質があるのは、金属の結晶中の陽イオンは自由電子によって引き合っているので、粒子の位置が変わっても互いに引き合う力が変わらないからである。

金属の結晶

金属原子が、金属結合によって規則正しく配列してできた結晶を金属結晶という。その中で規則正しく繰り返されている粒子の配列構造を結晶格子という。金属結晶の構造の主なものは，下図の３種類である。

・体心立方格子

粒子数（単位格子につまった原子の数）：2個　　　　　　　　　　　　　

配位数（１つの原子に接している他の原子の数）：8個

充填率（単位格子中で球が占める体積の割合）：68％

・面心立方格子

粒子数：4個　　配位数：12　　充填率：74％

・六方最密構造　粒子数：６　配位数：12　充填率：74％

９）結晶の比較

問題 4

次の結晶に関する表を完成させよ。それぞれの空欄に入る語句を指定された項目より選んで記号で答えよ。ただし、それぞれの物質が結晶化した場合で答えよ。

　注１）水銀は液体の金属であることを考えると、融点が様々であると分かる。

　注２），３）黒鉛は例外

　注４）�@マグネシウムMgは金属なので、金属結晶。�A炭酸カルシウムCaCO₃はカルシウムイオンCa²⁺と炭酸イオンCO₃^2-に分けられるので、イオン結晶。�Bケイ素Siは共有結晶。�C塩化ナトリウムNaClはナトリウムイオンNa⁺と塩化物イオンCl^-に分けられるので、イオン結晶。�Dヨウ素I₂は非金属からなる分子なので、分子結晶。�EカリウムKは金属なので、金属結晶。�Fダイヤモンドは炭素Cからなるので、共有結晶。�GナフタレンC₁₀H₁₀はで非金属からなる分子なので、分子結晶。

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　高校化学　　

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