原子、元素および化合物

すべての物質は約100種類の単純な構成要素からできています。それらがどのように結合されているかを知ることで、あらゆる物質を3つのグループのいずれかに分類できます。

• 元素とは、一種類の原子のみから構成される物質です。化学反応ではこれ以上単純な物质に分解することはできません。例：銅、酸素、炭素。
• 化合物とは、2つ以上の元素が化学的に結合（結合）したものです。原子は固定された比率で結合しています。例：水、二酸化炭素。化合物は構成する元素とは異なる性質を持ちます。
• 混合物とは、単に混合されているだけで、化学的に結合していない2つ以上の物質です。各成分は独自の性質を維持しており、物理的な方法で分離できます。例：空気。

重要な違い：化合物では元素が結合しており、化学反応によってしか分離できません；混合物では結合しておらず、容易に分離できます。

原子の内部

すべての原子には、原子核と呼ばれる小さく密集した中心があります。その周囲では、電子が電子殻（エネルギー準位）内を動いています。原子核には陽子と通常中性子が含まれています。一般的な水素-1 原子核は、陽子が1つで中性子は持たないものです。

各粒子には相対質量と相対電荷があります。これらの値を覚える必要があります：

陽子（各$+1$）と電子（各$-1$）の数が等しいため、原子全体としては電荷を持っていません。

原子番号と質量数

2つの数字で原子を記述します：

• 原子番号（または原子番号とも呼ばれる）は、核内の陽子の数です。この原子がどの元素であるかを示します。
• 質量数（または核子数とも呼ばれる）は、核内の陽子と中性子の総数です。

したがって、中性子数 $=$ ＝ 質量数 $-$ － 原子番号（陽子数）。

電子配置

電子は内側から外側へ順に殻を埋めていきます。最初の殻には最大2個、次の殻には最大8個まで入り、最初の20元素までこの規則が適用されます。電子配置は、内側から順に各殻に含まれる電子数をリストしたものです。

例えば、電子が13個ある原子の電子配置は$2,8,3$です。ナトリウム（原子番号11）は$2,8,1$です。カルシウム（原子番号20）は$2,8,8,2$です。

この配置は周期表と関連しています：

• 族番号（I族からVII族）は最外殻の電子数に等しいです。したがって、$2,8,1$はI族にあります。
• 週番号は電子を含む殻の数に等しいです。したがって、$2,8,1$は3つの殻を持っているため、第3週にあります。
• 希ガス（VIII族または0族）は最外殻が満たされており、非常に不活性です。

同位体とは、同じ元素の原子ですが、陽子の数は同じでも中性子の数が異なるものです。陽子の数が同じなので同一の元素です。しかし、中性子の数が異なるため、質量数が異なります。

原子の表記では、上部に質量数、下部に原子番号を書きます。例：$^{12}_{6}\text{C}$。イオンの場合、電荷を追加して書きます。例：$^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$。

ある元素の同位体は同じ化学的性質を持ちます。これは化学反応が電子に関与するためであり、同位体は電子数と電子配置が同じだからです。（追加された中性子は質量だけを変えます。）

相対原子質量の計算

ある元素の相対原子質量（$A_r$）は、各同位体の存在比を考慮した原子の平均質量です。存在比は各同位体の百分率です。

例えば、塩素は75% $^{35}\text{Cl}$ と25% $^{37}\text{Cl}$ です：

** worked example.** ボロンには2つの同位体$^{10}\text{B}$と$^{11}\text{B}$があり、その$A_r$は10.8です。それぞれの百分率を求めよ。$^{11}\text{B}$の存在比を$x$とおくと、$^{10}\text{B}$の存在比は$(100 - x)$となる。すると

より$11x + 1000 - 10x = 1080$、すなわち$x = 80$となる。ボロンは**80%**が$^{11}\text{B}$、**20%**が$^{10}\text{B}$である。常識で確認してみよう：10.8は11に近いので、重い同位体の方が多いはずだ。答えが$A_r$から遠い同位体に過半数を与えているなら、逆になっている。

イオンとは、電子を失ったり獲得したりした原子（または原子のグループ）であり、電気的な電荷を持っています。

• 金属原子は電子を失い、正のイオンであるカチオンを形成します。
• 非金属原子は電子を得て、負のイオンであるアニオンを形成します。

原子はこのようにして、希ガスのような最外殻を満たそうとします。

イオン結合の形成

イオン結合とは、異電荷を持つイオンの間の強い静電気的引力（$+$ イオンと $-$ イオンが引き合うこと）です。

多くの一般的なイオン化合物は、金属と非金属から構成されます。例として塩化ナトリウム、$\text{NaCl}$ を挙げます。ナトリウム（$2,8,1$）は最外殻の電子1つをクロール（$2,8,7$）に与えます。これによりナトリウムは $\text{Na}^{+}$ （$2,8$）となり、クロールは $\text{Cl}^{-}$ （$2,8,8$）となります。両者は最外殻が満たされ、反対の電荷が引き合います。

これをドット・クロス図で示すことができます。ある元素の原子の最外殻電子はドット、もう一方の元素はクロスとして描き、電子が金属から非金属へ移動する様子を示します。

*ナトリウムが最外殻電子を塩素に与え、双方が最外殻を満たし、逆の電荷同士が引き合う（青い電子はナトリウム由来）

イオン化合物の構造と性質

イオン化合物は個々の分子から構成されているわけではありません。イオンは巨大な格子に詰まっており、無数の正イオンと負イオンが交互に並ぶ規則的なパターンです。

この構造が以下の性質を説明しています：

*水分子のモデル：原子は共有結合において電子を共有している。

共有結合とは、2つの原子が電子対を共有することで形成されます。ここでは共有することで、各原子が最外殻を満たす（希ガスの配置）ことになります。共有結合は非金属原子同士で形成されます。

知っておくべき分子:

• $\text{H}_2$ — 2つの水素原子が1つの電子対を共有する（単結合）。
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — それぞれ1つの共有電子対を持つ。
• $\text{H}_2\text{O}$ — 酸素は2つの水素原子それぞれと1つの電子対を共有する。
• $\text{NH}_3$ — nitrogen shares a pair with each of three hydrogen atoms.
• $\text{CH}_4$ — 炭素は4つの水素原子それぞれと電子対を共有する。
• $\text{O}_2$ と $\text{CO}_2$ は二重結合（2つの共有電子対）を持ち、$\text{N}_2$ は三重結合（3つの共有電子対）を持ち、$\text{C}_2\text{H}_4$ と $\text{CH}_3\text{OH}$ もまた共有電子対を使用する。

分子のドット・クロス図では、各原子の最外殻電子を描き、原子間の重なり部分でどの電子対が共有されているかを示します。

単純分子性化合物の性質

これらの物質は小さく個別の分子から構成されています。

• 低い融点と沸点を持つ。各分子内の共有結合は強いが、分子間力（隣接する分子間の力）は弱いため、分子を分離するために必要なエネルギーは少ない。
• 電気伝導性が悪い。分子自体に全体としての電荷がなく、電荷を運ぶ自由電子やイオンがないためである。

一部の共有結合性物質は小さな分子ではありません。代わりに、数百万個の原子が共有結合によって一つの巨大共有構造に結びついています。知っておくべき2つの例は、どちらも炭素の形態です。

ダイヤモンド: 各炭素原子は他の4つの炭素原子と結合しています。これは非常に強く剛直な3次元ネットワークを作ります。ダイヤモンドは極めて硬いため、切削工具に使用されます。

グラファイト: 各炭素原子は他の3つの原子のみと結合しており、平らな層を形成しています。層の間には弱い力が働くため、層同士が滑り合いやすくなります—これがグラファイトを良好な潤滑剤とする理由です。各炭素の4番目の最外殻電子は自由であり、これらの脱局在電子が動くことができるため、グラファイトは電気を通し、電極として使用されます。

酸化ケイ素(IV)（$\text{SiO}_2$）はダイヤモンドと同様の巨大共価構造を持つため、非常に硬く、非常に高い融点を持っています。

金属は、全身を自由に行き来できる脱局在電子の「海」に囲まれた正イオンの巨大構造です。金属結合とは、これらの正イオンと電子の海との間の強い静電気的引力のことです。

これは金属の2つの重要な性質を説明しています：

• 良い電気伝導性: 脱局在電子は自由に動き、金属内を電荷を運びます。
• 延性（板状に叩ける）と展性（線状に引ける）：正イオン層が金属結合を壊さずに互いに滑り合うため、金属は粉砕されるのではなく形状を変えます。

よくある間違い。

• 単純分子性物質が融解しやすいのは、共有結合が弱いためであると述べるのは誤りです。分子内の共有結合は強いです。弱いのは分子間の分子間力であり、これが克服されることで融解が起こります。
• 固体塩化ナトリウムが伝導しないのはイオンがないからだと述べたり、熔融塩化ナトリウムが電子の移動によって伝導すると述べたりするのは誤りです。常にイオンが存在しますが、熔融状態や水溶液ではイオンが自由に移動して電荷を運ぶことができます。
• $\text{Na}^{+}$ と $\text{Cl}^{-}$ のイオンの格子を「NaCl 分子」と呼ぶのは誤りです。イオン化合物に分子はありません。それはイオンの巨大な格子です。
• グラファイトが伝導するのは層が滑って動くからだと述べるのは誤りです。伝導するのは、各炭素原子が1つ持つ自由電子が移動できるからです。層が滑って動くことは、グラファイトが柔らかく滑らかな理由を説明するものです。
• 金属原子が電子を受け取る姿を描くのは誤りです。金属は電子を失うことで正イオンを形成し、非金属は電子を受け取ります。
• 同位体は陽子数や電子数が異なると述べるのは誤りです。同位体は中性子の数だけが異なります。

• 中性子数 ＝ 質量数 − 原子番号。原子番号がその原子がどの元素かを決めます。
• 同位体は化学反応が電子のみに関与するため化学的性質が同じです。同位体は同じ電子配置を持ちますが、質量だけが異なります。
• 構造と性質の対応：イオン結晶＝巨大格子（融点が高い；溶融時または水溶液中のみ伝導）、単純分子＝分子間の弱い力（融点が低い；非伝導）、巨大共有結合＝非常に硬く、非常に高い融点。
• グラファイトは伝導性と滑らかさがあります（炭素あたり1個の自由電子；層が滑る）。一方、ダイヤモンドはどちらにも該当しません（4つの電子すべてが結合しているため、硬く非伝導）。金属は非局在電子の海によって伝導し、曲げられます。
• 相対原子質量については、加重平均をとります：$A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$。