1 · Principles of chemistry

本コースのすべての内容は一つの言語で記述されている：粒子、式、方程式である。セクション1ではこれを学ぶ — 固体、液体、気体における粒子の並び方、周期表における原子の構造や配列、反応に関する文章から平衡方程式と質量計算への変換、そして3種類の結合が物質の性質を決定する仕組みについてである。

Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Section 1 （文書1.1–1.60C）は最大のセクションであり、他の3つの基礎となる。C接尾語付きの文書は、別科試験（化学のみ）のための拡張内容である。

固体: 粒子は規則正しい位置で振動している。液体: 粒子同士は接触しつつ互いを通り過ぎてランダムに動く。気体: 粒子は離れており、高速でランダムに動く。相転移：融解／凝固、沸騰／凝縮、蒸発（表面のみ、沸点以下）、昇華（固体→気体）。粒子間の結合を断つにはエネルギーが必要（吸熱）、再び結合するにはエネルギーが放出される（放熱）。

溶媒が溶質を溶解させて溶液を作る；ある温度で最大限の溶質を含む溶液を飽和溶液という。(C) 溶解度とは、指定された温度において溶媒100 gあたりに溶解する質量であり、溶解度曲線から読み取る — 曲線上の点は飽和、その下は未飽和である。

有色溶液の希釈やガス拡散（空気中への臭素の拡散）はどちらも、粒子が濃い場所から薄い場所へ移動することを示している。

元素は一種類の原子のみを含む；化合物は異なる原子が化学的に結合したものです；混合物は化学的に結合していない。純物質は明確な融点・沸点を持ち、混合物は融点・沸点の範囲を持って melting and boiling over a range — the test for purity。

用途に応じた分離技術：ろ過（液体からの不溶性固体）；結晶化（溶液を蒸発させて結晶を残す）；単純蒸留（溶解した固体からの液体 — 蒸発後冷凝）；分餾（沸点が近い液体の分離、分餾柱を使用）；紙クロマトグラフィー（溶媒に対する溶解度が異なる溶質）。

Rf = スポットの移動距離 ÷ 溶媒の移動距離。同じ物質は同一溶媒中では常に同じRfを示すため、既知の値と比較することで混合物中の成分を同定できる。

原子番号 = 陽子の数；質量数 = 陽子の数 + 中性子の数。同位体は陽子の数は同じだが中性子の数が異なる。相対原子質量（$A_r$）は、同位体の存在比加重平均である。

**計算例（確認問題）。**塩素：75 % Cl-35、25 % Cl-37 → $A_r = (75 \times 35 + 25 \times 37)/100 = 35.5$。

周期表は原子番号順に元素を並べ、族（縦列、最外殻電子が同じ）と周期（横列）に分ける。最初の 20 電子配置は 2,8,8,2 層に従う（例：ナトリウム 2.8.1）。金属は左側/中央に位置し、その酸化物は塩基性で導電性を示す。非金属の酸化物は酸性である。族構成要素は最外殻電子数が同じため類似した性質を示す。族 0 の希ガスは最外殻が満たされており、反応しにくい。

状態記号（(s)、(l)、(g)、(aq)）を用いて化学方程式を平衡させる。$M_r$は$A_r$値の合計である。モルは物質量の単位であり、$n = m/M_r$ g相当の量である。

計算例（反応物の質量）。 6.0 gのマグネシウムから何gの酸化マグネシウムが生成するか？ $2\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{MgO}$：$n(\mathrm{Mg}) = 6.0/24 = 0.25$ mol → $n(\mathrm{MgO}) = 0.25$ mol → 質量 $= 0.25 \times 40 = 10$ g。

収率 $=$ 実測値 ÷ 理論値 × 100 % 。実験式は最小の整数比（各質量をその $A_r$ で割り、整数に換算）であり、分子式は実際の原子数（$M_r$ ÷ 実験式質量 = 倍率）である。

**計算例。**炭化水素は炭素が85.7 %、水素が14.3 %である。C 85.7/12 = 7.14、H 14.3/1 = 14.3 → 比 1:2 → 実験式 CH₂。分子量$M_r = 56$の場合：56/14 = 4 → 分子式 C₄H₈。

(C) 溶液：$n = c \times V$ を$c$ mol/dm³ の濃度で用い、体積$V$ dm³ （cm³ ÷ 1000）。気体：標準温度圧力（rtp）におけるモル体積は24 dm³ であるため、$n = V/24$。 (C-実践) 金属酸化物の化学式は燃焼法（マグネシウムの質量を測定し、燃焼させて酸化物の質量を測定）または還元法（酸化銅(II)の質量を測定し、水素で還元して銅の質量を測定）によって求める。

イオン結合：金属は電子を非金属に失い、帯電したイオンが静電引力で巨大格子を形成する。ドット・クロス図は電子の移動を示す（第1–3族と第5–7族）。融点が高い（強い引力）。熔融時または水溶液中のみ電気伝導性を示す（イオンが自由に動く）。イオン電荷を覚える：第1/2/3族 → 1+/2+/3+；第5/6/7族 → 3−/2−/1−；Ag⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Zn²⁺；OH⁻, NH₄⁺, CO₃²⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻。化学式は電荷をバランスさせる：硝酸カルシウム Ca(NO₃)₂、硫酸アンモニウム (NH₄)₂SO₄。

共有結合: 電子対の共有（H₂、O₂、N₂、ハロゲン、HCl、H₂O、NH₃、CO₂ および小規模有機物のドット・クロス表示）。単純分子物質は弱い分子間力を持ち — 融点が低く、$M_r$ に応じて上昇する；イオンや自由電子がないため導電しない。巨大共有結晶: ダイヤモンド（各Cが 4 と結合 — 非常に硬く、絶縁体）、グラファイト（3 結合 + 各Cあたり1個の自由電子、層間に弱い力 — 柔らかく、導電性、滑らか）、C₆₀ フルレネ（単純分子ケージ）。

(C) 金属結合：正イオンの格子が非局在電子の海に包まれた構造。静電引力により、自由電子が電気伝導性を示し、層同士が滑り合う（延性がある）。

電気分解は電気を用いて溶融または水溶液のイオン化合物を分解する：カソード（負極）はカチオンを引き付け、アノード（正極）はアニオンを引き付ける。溶融 PbBr₂ はカソードで Pb（Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb）およびアノードで Br₂（2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻）を与える。水溶液中では、金属が水素より活性が高い場合、カソードで水素が生成される；アノードではハロゲンイオンがハロゲンを生成し、そうでない場合は酸素（4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻）が生成される。電子の喪失を酸化、獲得を還元という。

1. 液体中の粒子の配列と運動について説明せよ。
2. 飽和溶液の定義を示し、溶解度の単位を答えよ。
3. 沸点が近い互いに混和する2つの液体を分離するための技術は何か。
4. ある同位体にはプロトンが17個、中性子が20個ある。質量数および各粒子の数を答えよ。
5. 元素の$A_r$を計算せよ。質量20が80%、質量22が20%である。
6. 状態記号付きで化学方程式を平衡化せよ：マグネシウム＋酸素→酸化マグネシウム。
7. カルシウムの酸化物8.4gがカルシウム6.0gから生成された。この酸化物の実験式を示せ。
8. 炭酸アンモニウムの化学式を記せ。
9. グラファイトは伝導するが、ダイヤモンドが伝導しない理由を説明せよ。
10. (C) 熔融塩化カリウムの電気分解において、各電極で何が生じるか。

Answers: 1 particles touch but are disordered, moving randomly past each other; 2 a solution containing the maximum mass of dissolved solute at that temperature; g per 100 g of solvent; 3 fractional distillation; 4 mass number 37; 17 protons, 20 neutrons, 17 electrons; 5 $(80 \times 20 + 20 \times 22)/100 = 20.4$; 6 2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s); 7 Ca 6.0/40 = 0.15 mol; O mass 8.4 − 6.0 = 2.4 g → 2.4/16 = 0.15 mol; ratio 1:1 → empirical formula CaO; 8 (NH₄)₂CO₃; 9 graphite uses three bonds per carbon, leaving one delocalised electron per carbon free to move between layers — diamond uses all four in fixed bonds; 10 (C) potassium at the cathode (K⁺ + e⁻ → K) and chlorine at the anode (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻).