ペーパークロマトグラフィー
水性サインペンに含まれている染料をろ紙に対する吸着の差を利用して分けてみよう。
一学期では、化学では物質とは何かから、それらの物質がどのように構成されているかを学びます。
身のまわりのおもだった物質は、たかだか数十種類の元素が色々に結びつくことでできている。その元素の性質と結びつき方、および物質の量について学ぶ。
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海水を汲んで観察すると、プランクトンや小さな砂粒などが混じっている。それらをろ過して取り除いた海水は、透明で一様だが火にかけて加熱すると沸騰して取り除かれる水と、気化しない固形物が得られる。固形物はさらに水への溶け方などで何種類かの固形物に分けることができる。
ダイヤモンドや食塩の結晶、蒸留水などが純物質である。これらは、そのどの部分を取り出したサンプルも同一の性質をもつ。つまり構成元素の組成や沸点・融点は一定である。
このように、最後にはその物質のどの部分を取り出しても同じ性質で、ろ過や蒸留などの方法ではそれ以上分けられなくなる。これを純物質という。
2種類以上の純物質(単体と化合物)が混じりあっている物質のこと。
例えば、空気は窒素・酸素・アルゴン・二酸化炭素などが混じりあった混合物である。通常目にする食品や材料、医薬品などは、ほとんどすべてが混合物である。
化学で扱う物質を混合物と純物質に分ける。純物質とは「物理的な分離操作によってそれ以上、性質の異なる成分に分けられないものを言う」あるいは「その物質のどの部分を取り出しても同じ性質であるもの」と説明される。
ろ過 | ろ紙などで粒子の大きさで分ける |
---|---|
抽出 | 溶け方の違い(溶解度)で分離する |
蒸留 | 沸点の異なるものを分ける |
分留 | 沸点の異なる物質を沸点の差によって分けて取り出す |
再結晶 | 粗結晶を溶媒に溶かし、再度結晶を析出させる方法。 |
クロマトグラフィー | 固定された物体の表面に液体または気体を流して分散や吸着の差を利用して分離する方法 簡単な操作で含まれている物質を分けることができるためいろいろな形で利用されている。流す流体や固定層によってさまざまな種類がある。ペーパークロマトグラフィー,ガスクロマトグラフィーなど。DNA鑑定も・・ |
水性サインペンに含まれている染料をろ紙に対する吸着の差を利用して分けてみよう。
純物質は、化学的方法(電気分解など)を用いれば、元素にまで分解することができる。そのときはその物質としての性質は失われる。
純物質には、単体と化合物がある。
純物質(以下物質という)を化学的手法で、それを構成している要素(Element)を調べると、たった一種類の元素で成り立っているものと複数の元素で成り立っているものがある。
ひとつの元素だけからなる物質を単体と言う。単体であってもその原子間の結び付き方の違いによって異なる性質を示すものを同素体という。
硫黄の単体には硫黄の原子同士の結びつき方によって色々なものがある。常温で一般的な結晶は斜方硫黄でする。硫黄を加熱していくと約112℃で溶けてオレンジ色の液体になる。さらに温度を上げていくと粘度が増して色が濃くなる。そして再び流動性が現れたら冷水に流し込むとゴム状になる。オレンジ色になった時点でろ紙に流し込んで広げると針状の結晶(単斜硫黄)の結晶が得られる。
ゴム状硫黄や単斜硫黄を放置しておくと斜方硫黄に戻る。
★ たった一種類の元素から成り立っている物質でもこのように色々な性質を示すものがある。身の回りの多くの物質が数十種類の元素から成り立っていても、それらは結びつき方でさまざまな性質を示す。
物質(たとえば水)は、どんどん小さく分けていくと「水」という性質を持つひとつの粒子(分子)になる。その粒子をさらに分けると2個の水素原子と1個の酸素原子からできている。言い換えると水は酸素と水から作ることができる。さらに、水を電気分解すると酸素と水素が発生する。
★身の回りの物質は百個以下の種類の元素でできている。
元素の実態は原子と呼ばれる粒子で、原子は中心にある原子核と、電子でできている。原子核は正の電荷を持つ
質量は原子核が決定し、大きさは電子が決定する。
(化学)物質を構成する基本要素(Element)を元素(Element)という。原子は元素の実体である。元素を陽子の数(原子番号)で並べたものが
陽子と中性子の数の合計を
★自然界に存在する元素を構成する原子は、異なる質量数をもつものがあるため、元素の質量の平均は質量数×存在割合(同位体比率)の総和となる。
水素(元素)は陽子が一個であるが、水素には中性子をまったく持たない原子、中性子が1個の原子、中性子が2個の原子がある。
原子番号6の炭素には中性子の数が6個,7個,8個のものがある。それぞれ原子量は12,13,14であ。それぞれの存在比から原子量は約12.01である。
質量数14の炭素14Cは半減期が5730年の放射性同位体であるため、遺跡の年代測定(放射性炭素年代測定法)に使われる。
質量数12の炭素12Cは1961年にIUPACよって質量の基準とすることが決定され、アボガドロ数などの基礎的な定数はこれによって算出されている。
ウラン(原子量238.028)には、238Uが、99.2742%、核分裂を起こす235Uが、0.7204%含まれている。
放射性同位体のアルファ崩壊、ベータ崩壊については、教科書の171ページを参照する。なお、原子番号83(ビスマス)以降の元素は放射性同位体しか存在しないため放射性元素といわれる。
2011年3月11日の東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所の事故に関連して、放射線、放射性元素、核分裂については詳しく説明する。
原子番号が2,質量数が4減る | 原子番号が1増える,質量数変わらない |
---|
核分裂(235U)の例 235U + n → 95Y + 139I + 2n
生成物 | 収率 | 半減期 | 特記 |
---|---|---|---|
セシウム133 | 6.79% | 安定 | 一部は中性子捕獲により半減期約2年のセシウム134になる |
ヨウ素135 | 6.33% | 6.57h | 崩壊で生成するキセノン135は原子炉でもっとも主要な毒物質で10-50%が中性子獲得によりキセノン136になり、残りは半減期9.14hでセシウム135になる。 |
ジルコニウム93 | 6.30% | 1.53My | |
セシウム137 | 6.09% | 30.17y | |
テクネチウム99 | 6.05% | 211ky | |
ストロンチウム90 | 5.75% | 28.9y | |
ヨウ素131 | 2.83% | 8.02d | |
プロメチウム147 | 2.27% | 2.62d | |
サマリウム149 | 1.09% | 安定 | 主要な毒物質のひとつ |
ヨウ素129 | 0.66% | 15.7My |
参考資料
(ポインタを置くと背景が赤くなる族番号、元素記号などは、Wikipediaへリンクしている。)
1 | 18 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
H | 2 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | He | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Na | Mg | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cs | Ba | *L | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fr | Ra | *A | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Uuq | Uup | Uuh | Uus | Uuo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ランタノイド | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
アクチノイド | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
文字の色 | 背景色 | 枠の色 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
H | 気体 | Li | 金属元素 | K | アルカリ金属 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Br | 液体 | N | 非金属元素 | Ba | アルカリ土類金属 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
S | 固体 | Tc | 人工元素 | Cl | ハロゲン | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
He | 希ガス | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
枠なし文字灰色 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Uut | 未発見もしくは未確定 | Fe | 遷移元素 |
1869年にロシアのメンデレーエフ等によって提唱された周期表は、当時発見されていた元素をその重さ(今で言う原子量)の順に並べたら周期的に似た性質のものが現れる周期律を表にしたもので、当時未発見の元素の存在をその性質も含めて予測しそれが的中したことで認められることになった。周期表の横(行)を周期という、縦(列)--似た性質を持つグループ--を族という。ひとつの族に属する元素をまとめて同族元素という。特にアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、希ガスの族名は良く使われるので覚えておく。
またその元素の化学的、物理的性質によって典型元素、遷移元素、金属元素、非金属元素と分類される。これらも頻繁にされるので重要である。
太字の元素は覚えること!!
これらのグループの性質は、最外殻の電子の数による。したがって周期表と、周期表と関連付けてそれぞれのグループの性質を決定する電子配置について、ただしく理解しておくことが必要である。
水兵、リーベ 僕 の 船、 七 曲がり シッ プス クラーク か
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca
ふっくら・・・
F Cl Br I At
へんなねえちゃん・・
He Ne Ar Kr Xe Ra
リッチな、彼女は、ルビーを、せしめて、フランスへ。
Li Na K Rb Fr
電子はK殻,L殻・・・と呼ばれる電子殻(軌道)上に存在し、それぞれの殻に入りうる電子の数は決まっている。電子がどのように軌道に入っているかを電子配置という。原子の最も外側の殻(軌道)を最外殻といい、そこにある電子を最外殻電子という。最外殻の電子が何個存在するかがその元素の性質を決定する事が多い。そのため、他の元素と結合するときに働く最外殻の電子を価電子という。
1周期 | 1族 | 18族 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2周期以降 | 1族 | 2族 12族 | 13族 | 14族 | 15族 | 16族 | 17族 | 18族 |
最外殻電子数 | 1個 | 2個 | 3個 | 4個 | 5個 | 6個 | 7個 | 8個 |
電子配置 | ||||||||
価電子 | 1個 | 2個 | 3個 | 4個 | 5個 | 6個 | 7個 | 0個 |
すべての化学物質は110種類あまりの元素のいくつかが単独、または何種類かが色々な方法で結びついている。また、その結びつき方や性質は最外殻の電子の配置によるものである。
★ 最外殻の電子がすべて埋まっているときに安定である。L殻以降は8個と考えてよい。(オクテット則)
★ 他の族の原子は、電子を失うあるいは受け取って最外殻の軌道を8個にしようとする。(1周期は2個)
最外殻の電子を失うことで希ガス形の電子配置を取ることができる。最外殻の電子を失って正の電荷を持つイオンになることをイオン化という。電子を失ってイオンになるために必要なエネルギーをイオン化エネルギーという。金属はイオン化エネルギーが小さい元素、陽イオンに成りやすい元素である。後の周期ほど電子を失いやすい。
典型元素の金属は、最外殻の電子をすべて失うと考える。遷移元素は、電子を失う個数が決まらないので必ず失った数を明記する。
金属ナトリウムを、水に浸したろ紙上に置かれると、水素を発生して激しく反応し、その熱で溶ける。最後には水素が発火する。金属マグネシウムは熱水中で水と反応してやはり水素を発生する。
そのとき水溶液はアルカリ性となる。
電子を受け取って希ガス形の電子配置を取ることができる。最外殻に電子を受け取って負の電荷を持つイオンになる。電子をひきつける力を電子親和力という。非金属元素は電子親和力が大きい。前の周期ほど電子をひきつける力が強い。
化合物、単体は、それを構成する元素が結びつくことで物質を構成する粒子となる。その元素がどのように結びついているかと、その物質の示す性質を学ぶ。
金属元素と非金属元素、非金属元素同士、金属元素同士間の結合について電子配置を基に考えてみる。
イオン化エネルギーの低い金属元素と、電子親和力の大きい非金属元素の結合は、金属元素は電子を失って陽イオンになり、非金属元素は電子を受け取って陰イオンになり、その両者が静電気力(クーロン力)で結びつく(イオン相互作用)。このような結合をイオン結合という。イオン結合によってつくられる結晶をイオン結合性結晶という。
(イオンになるのは、次の共有結合(配位結合)によってつくられる多原子イオンもある。)
アルカリ金属のナトリウムとハロゲンの塩素が結びつくときは、それぞれがイオンとなって塩化ナトリウムとなる。
イオン結合性の物質は、陰イオン名に続けて陽イオン名を並べる。イオン結合物質を化学式で表すときは、構成する元素の種類と整数比を示す組成式を使う。組成式を書くときは陽イオンを前に書く。また多原子イオンの数が複数になるときは多原子イオンを括弧でくくる。
組成式:
純物質:
混合物:
元 素:
単 体:
同素体:
原 子:
原子核:
陽 子:
中性子:
原子番号:
質量数:
同位体:
電子殻:
電子配置:
最外殻(電子軌道):
K殻:
L殻:
典型元素:
価電子:
電子軌道:
遷移元素:
金属元素:
非金属元素:
アルカリ金属:
アルカリ土類金属:
ハロゲン:
周期表:
電解質:
非電解質:
イオン:
純物質 同素体 混合物 単体 化合物 蒸留 ろ過 物質
私たちの身のまわりにある物質の多くは(a)混合物です。たとえば、海水を汲み取ってみると、そこには、プランクトンや細かいゴミが含まれています。これらをろ紙を使って(b) ろ過 して取り除いた海水は、無色透明で一様に見えます。
しかし、この海水を(c) 蒸留 すると水と固形物という性質の異なるものにわけられますから (d)純物質ではありません。その固形物は、さらに再結晶などの方法でいくつかの塩に分けられます。
このように、 (b) ろ過 や (c) 蒸留 、再結晶など物理的な手段を使って二種類以上の性質の異なる物質に分けられるものを(a)混合物といいます。
台所にある砂糖(上白糖)は、ショ糖の結晶に転化糖をまぶした(a)混合物ですが、(再結晶によって得られた)氷砂糖やグラニュー糖は、それ以上物理的性質の異なるものに分けられないので(d)純物質と見なしてよいでしょう。
(例) 元素記号の左下の数字は質量数である。(左下→左上)
(例) 臭素の元素記号はBrである。 ( ○ )
(A)、(B)に入る言葉 [絶縁体/導体]
たった一種類の元素だけでできた物質を①単体という。炭素の ①単体には②ダイヤ(ア)モンドや③黒鉛(グラファイト)、フラーレンなど、いくつもの①単体が知られている。②ダイヤ(ア)モンドは炭素原子が共有結合で正四面体状に次々と連なった巨大分子ですべての物質の中で最もかたく、電気的には(A)絶縁体であり、熱の伝導率は最も大きい(銅の5倍)。③黒鉛(グラファイト)は、炭素が六角形の網目状に並んだ層が重なりあった構造をしている。黒色で弱い金属光沢があり電気的には(B)導体である。層間の結合は弱いため極めて摩擦が少なく、その性質を使って鉛筆や、固体潤滑剤、金型の離形剤に使われる。
硫黄には斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄などがある。
このように、単体のうち、原子の配列(結晶構造)や結合が異なるものを ④同素体という。 ④同素体は同じ元素から構成されるが、化学的・物理的性質が異なる。
(離形剤:プラスチックの金型やプレスの金型から加工物を剥がしやすくするための薬剤)
記号(①○)、理由 ②溶けた塩が流れ落ちないようにするため
次の金属の炎色反応の色を下から選んで書け。
銅(①青緑色),カルシウム(②橙赤色),ストロンチウム(③深赤色),ナトリウム(④黄 色),バリウム(⑤黄緑色)
黄色 深赤色 橙赤色 青緑色 黄緑色
㋑科学、㋺物理、㋩化学、㋥混合物、㋭ろ過、㋬ペパークロマトグラフィー、㋣蒸留、㋠純物質、㋷原子核、㋦陽子、㋸中性子、㋾電子、㋻原子番号、㋕同位体、㋵同素体、㋟アルカリ金属、㋹アルカリ土類金属、㋞ハロゲン、㋡希ガス、㋧金属、㋤非金属、㋶周期表、㋰周期律表、㋒周期律、㋼族、㋨組、㋔周期、㋗典型、㋳遷移、㋮イオン、㋘1、㋫2、㋙7、㋓8、㋢同数、㋐右上、㋚右下、㋖左上、㋴左下、㋱イオン化エネルギー、㋯イオン化傾向、㋛メンデル、㋽メンデレーエフ、㋪ラボアジェ、㋲アボガドロ、㋝陽イオン、㋜陰イオン
原子は、中心にある1個の①原子核とその周囲に存在するいくつかの②電子によって成り立っている。
①原子核は③原子番号に等しい数の④陽子とそれとほぼ同数の⑤中性子でできている。原子の質量数は④陽子の数と⑤中性子の数を加えたものをいい、元素記号の⑥左上に書く。
元素を③原子番号の順番に並べると周期的に同じような性質を持つものが現れる。その性質を⑦周期律といい、1869年にロシアの⑧メンデレーエフ等によって提唱された⑨周期表は同じ性質を持つ元素が上下に並ぶように並べたものである。
⑨周期表の縦の並び(列)を⑩族といい、横の並びを⑪周期という。同じ位置に存在する質量数の異なる原子を⑫同位体という。
元素の性質は、その元素の原子の周囲にある電子の数とその配置によって性質が決まる。特に、1族と2族、および12族から18族の元素は、同じ⑩族に所属する原子の最外殻にある電子の数は等しいため、良く似た性質をもつ。これら1族と2族、および12族から18族の元素は⑫典型元素と呼ばれ、それ以外の族の元素は⑬遷移元素と呼ばれる。
最外殻の電子配置が⑭希ガス形になると安定すると考えて、最外殻の②電子を失いやすいか受け取りやすいかを考えると元素の性質が理解しやすい。
たとえば2族や12族の元素は最外殻に⑮2個の②電子を持っているので、その②電子を失うと⑭希ガス型の電子配置をとれる。そのため最外殻の②電子を失って2価の⑯陽イオンになりやすい。一族の元素は水素を除き⑰アルカリ金属と呼ばれる。一方17族の元素は最外殻の②電子が⑰7個で電子を受け取って⑱陰イオンになりやすく、この族の元素は⑲ハロゲンと呼ばれる。
このように、⑫典型元素の性質は周期表上でのその元素の前後にある⑭希ガスの電子配置と比較すると理解しやすい。
用語集 典型元素 イオン結合 共有結合 金属結合 遷移元素 分子間力 水素結合 ファンデルワールス力
化学結合のうち、陽イオンと陰イオンが静電気的な力(クーロン力)で結びついているものを①イオン結合という。周期表の右上にある20個あまりの②典型元素は、電子を受け取って陰イオンになりやすく、残りの大部分を占める③金属元素は電子を失って陽イオンになりやすい。そのため、②典型元素と③金属元素の化合物は①イオン結合結合で化合物をつくるものが多い。
①イオン結合結合性物質を化学式で表すときは、それぞれのイオンの存在比を示した組成式を用いる。このとき陽イオンの価数の和と陰イオンの価数の和が同一になる最小の整数比になるように係数を決める。
陽イオンと陰イオンが結合している物質の化学式と物質名は表のようになる。表を完成させなさい。④~⑫
アンダーライン①の性質を表す度合い(指標)をなんというか? ⑬
アンダーライン②の性質を現す度合い(指標)をなんというか? ⑭
① イオン | ② 非金属元素 | ③ 非金属元素 |
上段に化学式、下段に名前を書きなさい。
陰イオン 陽イオン | Cl- ④( 塩化物イオン) |
⑤( SO42-) 硫酸イオン |
Ca2+ (カルシウムイオン) | ⑥( CaCl2 ) ⑦(塩化カルシウム) | CaSO4 ⑧(硫酸カルシウム) |
⑨( NH42+ ) | ⑩(アンモニウムイオン) NH4Cl ⑪(塩化アンモニウム) | ⑫(NH4)2SO4 硫酸アンモニウム |
⑬ イオン化エネルギー | ⑭ 電子親和力 |
1周期 | 1族 | 18族 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2周期以降 | 1族 | 2族 12族 | 13族 | 14族 | 15族 | 16族 | 17族 | 18族 |
最外殻電子数 | 1個 | 2個 | 3個 | 4個 | 5個 | 6個 | 7個 | 8個 |
電子配置 | ||||||||
価電子 | 1個 | 2個 | 3個 | 4個 | 5個 | 6個 | 7個 | 0個 |
原子価 | 1個 | 2個 | 3個 | 4個 | 3個 | 2個 | 1個 | 0個 |
典型元素では、最外殻の電子は、ペアにならないように埋まっていくと考えるとわかりやすい。
非金属元素は電子親和力が大きいため、非金属元素同士が結びつく場合は、結合に関わる原子の最外殻の軌道が希ガス型の電子配置になるように、最外殻の電子を共有することで結合する。この結合を共有結合という。
結合に関わる電子は結合している原子間に束縛されていて動かない。またそのため、電気を流さない。
この隣が空席の電子が共有結合に使われる。共有結合に使われる電子の数を原子価といい、その原子の不対電子の数と等しい。
(ポイント族と最外殻の電子数、価電子の数、原子価の関係を理解しておく。)
周期表で、1族と2族は族の番号、13族以降は10引いた数が価電子の数にあたる。また14族以降の元素の原子価は8から価電子の数を引いたものになる。
共有結合は、この一人でいる電子(原子価)を共有するため、原子価の数だけ共有結合することができる。すなわち、炭素(14族)は、原子価が4であるので原子価1の水素4つと結びつくことができる。窒素(15族)は3個の水素と、酸素(16族)は2個の水素と、ハロゲンは一個の水素と結びつき、それぞれアンモニア、水、塩化水素となる。
上で説明した電子の座る4個の席は中心から4つの方向(正四面体の4つの頂点の方向)にあると考えると形がわかる。
原子価1 | 原子価2 | 原子価3 | 原子価4 |
---|---|---|---|
1族と17族 | 2族と16族 | 13族と15族 | 14族 |
|
|
非金属元素は、原子価と同じ数の結合する腕(手)を持つ。
一価の原子 | 二価の原子 | 三価の原子 | 四価の原子 |
---|---|---|---|
希ガス以外の非金属元素は単独では不安定なため原子同士で結合して分子をつくる傾向がある。水素、窒素、酸素、フッ素などは2個の原子が結びついて二原子分子を作る。
水素や塩素は単結合で、酸素と酸素は二つの手、計4個の電子を共有して二重結合で酸素分子を作り、窒素(15族)は3重結合で窒素分子を作る。
水素 | 窒素 | 酸素 | 塩素 |
---|---|---|---|
水素 | 酸素 | 窒素 | 塩素 |
このように手を二本以上使っての結合を多重結合といい、二重結合三重結合がある。
水素 | 酸素 | 窒素 |
異なる非金属元素についても同様に二酸化炭素は、原子価4の炭素1個と原子価2の酸素2個が結びついたものであるがその構造を考えてみよう。このように、複雑な化合物についても同様に考えると、その物質の分子モデルがわかる。
二酸化炭素 | メタノール | 酢酸 |
---|---|---|
共有結合によって結合した、あるいは化学結合をせずに原子単独で存在している希ガスなどのまとまりを持った原子団を分子という。一般に非金属元素同士は分子を作る傾向がある。He、Ne、Arなどのように希ガスの原子が単独で存在するような場合には単原子分子と呼ばれる。
分子性化合物は、固有の形と電気的な特性を持ち、そのことがその物質の固有な性質に反映される。
きわめて多数(数千~数十万)の原子が結合した分子は高分子と呼ばれ、ゴム、プラスチック、たんぱく質、DNAなどがある。
また、ダイヤモンドや水晶のように全体が共有結合で結びついた結晶は巨大分子と考えたほうがその性質を理解しやすい。
物質の性質を推測させる物質の構造
共有結合の結合を価標という線で表す。二重結合や三重結合は二重線、三重線で表す。
窒素 | 二酸化炭素水 | |
N≡N | O=C=O | H-O-H |
窒素分子 | 二酸化炭素分子 | 水分子 |
電子の状態を示す必要があるときにのみ使われる。共有結合に関わる電子を二つの原子間に置く。共有結合に関わらない電子対(非共有電子対)はそれが所属する原子の周りに示す。(水素以外は周囲の電子は必ず8個になる)
窒素分子 | 二酸化炭素分子 | 水分子 |
共有結合による化合物(分子)の形は、構成する原子それぞれの周囲に存在する共有電子対、非共有電子対の状態、すなわち結合の仕方によって決まる。
メタン CH4 アンモニア NH4 水 H2O フッ化水素 HF
異種の原子が共有結合している場合に、それぞれの電気陰性度が異なると、電子が電気陰性度の高い方に偏(かたよ)る。また、分子の中に孤立電子対(非共有電子対)を持つ原子がある場合はその電子対は負の電気を帯びている。これらの原因により分子の一方に電荷の偏り(極性)が生じることがある。このような分子を極性分子という。水分子やアンモニア
分子の非共有電子対を含む形が対称形である場合その分子は極性を持たない無極性分子となり、そうでない場合は極性分子になる。二酸化炭素やメタン
水分子は、酸素の二つの非共有電子対と、二つの水素原子との共有結合で図のような形をしているため、水素原子と酸素(の非共有電子対)との間で強く分極している。
その水素と酸素の電子対がクーロン力で結びつくことを水素結合という。
その事が水の特異な性質の原因となっている。
分子内の水素結合
たんぱく質のような高分子の場合、分子内に共有結合した水素と非共有電子対を持つ原子が存在する場合、分子内の水素結合(後述)により形が決まり特異な性質を持つ。
ダイヤモンドや水晶の結晶は、多数の原子が共有結合で結びついている(巨大分子と見なすと理解しやすい)。
共有結合の結晶は極めて強いものが多い。電子は結合している原子間に固定されているため電気は流れない。
陽イオンと陰イオンが静電気力で結びついている結合。
イオン結合している物質の融点は高く、固くてもろい。電子はそれぞれのイオンに所属する。多原子イオン(や分子性イオン)は、共有結合(配位結合※1を含む)した原子団がイオンとなる。(分子とは呼ばない)
例
食塩の結晶
金属元素どおしが結合する場合は、それぞれの原子の持つ最外殻電子が構造全体に広がり、電子のガスのなかに金属元素の原子が整列している。そのため金属には、展性や延性という性質が現れる。また、結合に関わる電子は構造全体に広がっている(自由電子)。自由電子の存在が金属光沢や導電性の原因になる。
分子間力の一種で、共有結合している水素原子と、非共有(孤立)電子対との間での強い静電気的な力による結合。
水の特異な性質や、DNAや酵素をはじめとするたんぱく質の構造を決定する重要な結合。
分子間には、一定の距離以上に近づくとファンデルワールス力という弱い引力が働く。これによりイオン結合や金属結合をしない分子であっても固体や液体になる。
ファンデルワールス力の原因は、非極性の分子であっても近接した場合に一方のわずかな電荷の揺らぎが、他方の電荷の偏りを招くこととされている(希ガスや非金属元素の単体)。また、極性のある分子と非極性分子が近接した場合も同様な引力が働く(水に溶けた塩素分子)場合や、極性分子どおしに働く引力もファンデルワールスに含める(HClの液体や固体)ことがある。
以上をまとめると、固体は大まかに分けて「金属結合」「イオン結合」「分子間力」「共有結合」のいずれかで結合している。分子間力には比較的強い水素結合がある。
それぞれの結合力の強さを比較すると、
共有結合>イオン結合>金属結合≫水素結合>分子間力
の順番となる。ただし、その結合が完全にこれらの結合状態にあるわけではなく、それらの中間状態である。
分子・原子間に働く力(これは化学結合ではない)があるため、液体をつくる。液体の性質も、その粒子間に働く静電気的な引力で考える。
金属を溶解すると金属結合の状態を保ったまま流動性をもつ。金属は固体状態でも、電子が自由に移動する(自由電子)ため電気を通す。グラファイト(黒鉛)も自由電子をもつため電気を流す。
イオン結合している物質を融(と)かすと、イオン間に静電気的な引力が存在したまま液体になるため沸点は高い。(液体なので)それぞれのイオンは自由に動いて電荷を運べるため導電性が現れる。
水(液体)と水素結合
水分子は、水素原子2個と酸素原子1個が共有結合した図のような構造をしている。この水素原子と酸素原子の非共有電子対が静電気的な引力で強くひきつけあう。水の固体(氷)は、そのために隙間の大きな結晶(前ページ)であり、溶けるとその隙間に水分子が入り込むことで溶けると体積が減少する。
この力は、液体であっても存在し水の高い沸点、高い表面張力、高い誘電率、高い粘度など液体の水の特異な性質の原因となっている。また、水素結合による部分な立体結合は液体中でも存在し50℃であっても50%程度は残っている。
ファンデルワールス力で結びついている固体は結合力が弱いため、融点が低く低温で液体になる。また分子間力が弱い場合は沸点も低く、液体である温度範囲が狭い、常圧では液体になれず固体から直接液体になる(昇華する)ものも多い。
例
昇華するもの・・・ドライアイス(二酸化炭素),ヨウ素
液体は構成する粒子間に分子間力が働いて、構成粒子間の距離はほぼ一定に保たれるが位置は自由に移動できる。液体の沸点をはじめとする性質はこの分子間に働く力の大きさに大きく依存する。同じ程度の分子間力の場合は、粒子自体の分子量に大きさに応じて高くなる。水は同じ分子量の他の物質に比較して水素結合による分子間力が大きいため沸点や比熱、表面張力、粘度などが異常に高い。
また、ひとつひとつの分子間力は弱くても何万という原子がつながっている高分子は全体としては大きな分子間力となって現れ沸点が高くなる。
原子一個の質量はとても小さいので、炭素の同位体12Cの質量を12とた場合に、それぞれの原子の質量がいくつであるかを示した比の数値を質量数という。★比なので単位はない
自然界に存在する元素は質量数の異なる同位体を含むため、12Cを12とした場合の同位体の存在比を含めた平均質量を原子量という。★質量数とは違う
化合物の質量も、同じように炭素12Cの質量を12として得られる比の値で、化合物に含まれる原子量を足したもの。分子は分子式から分子量を、塩は組成式から式量を用い、金属は原子量を用いる。
25℃の水に、食塩(塩化ナトリウムNaCl)は35.2g、砂糖(ショ糖C12H22O11)は204.6g溶ける。どちらがたくさん溶けるか?
この問題は、砂糖がたくさん溶けるとはいえない。これは次の質問と比較するとわかる。「教室に、小学生500kg、高校生が600kgはいっている。どちらがたくさん入っているか?」
人の多寡を問うときは人数で比較するように、物質の量は「物質の量」で比較するほうが適切である。では?物質の量とは何か??
物質の量は[物質量]で比較する。物質量の単位はモル(mol)である。
物質の量を考えるときは、質量や体積では考えない。長さは「長さ」で比較しその単位はメートルであり、物体の質量は「質量」で比較しその単位はkgであるように、物質の量は「物質量」で比較し単位はモルである。モルは、SI(国際単位)のひとつである。
0.012kgの炭素12(12C)に含まれる原子と等しい数の構成要素を含む系の物質の量。
モルを使うときは、構成要素が指定されなければならないが、それは原子、分子、イオン、電子、その他の粒子または、この種の粒子の特定の集合体であってよい。
物質量を問うときは、必ず何を構成単位としたかを明示すること。
物質を構成する粒子が分子の場合は、分子をつくっている原子の原子量の総和を分子量という。
例
水の分子量は、水素元素の原子量を1.01、酸素元素の原子量を16.00とすると
2×1.01 + 1×16.00 = 18.02
より、18.0 (有効数字3桁)となる。
イオン結合性物質については、明確な構成単位がないため、構成する元素の最小の存在比で計算する。(組成式で示される元素の原子量の総和)
例
食塩(NaCl)の式量は、ナトリウムの原子量を23.0、塩素の原子量を3.5とすると、
23.0 + 35.5 = 58.5
より、58.5 となる。
物質を構成する粒子が金属の場合は、金属の原子量から計算する。
例
鉄の原子量を55.84とすると
55.84gが鉄1モルの質量
アボガドロの法則
同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の分子が含まれる。
気体の状態方程式
pV = nRT
p: 圧力、V: 体積、n: 物質量、R: 気体定数、T: 熱力学温度(絶対温度)
標準状態と気体の体積
式を変形して V = nRT/p として n = 1 (mol)とすると、気体1モルの体積は、
V = RT/p
より、温度と圧力が決まれば計算できる。
ただし、圧力の単位をなににするかでRの値は異なる。
また、「ある温度」「ある圧力」を[標準状態]と定めると、標準状態での気体の体積を知ることができる。教科書では0℃、1気圧(1.013×105Pa)を標準状態としたときの1モルの気体の体積22.4Lを用いる。
★ 化学反応における収率を知ることができる。
実験で行ったテルミット反応(下記反応式)について
出発物質と生成物、それぞれの1モルあたりの質量を求めなさい。
Fe2O3 は[分子量|式量|原子量]で計算するので 1モルあたりの質量は g/mol
Fe は[分子量|式量|原子量]で計算するので 1モルあたりの質量は g/mol
注意) 1モルあたりの質量という場合と1モルの質量という問では単位が違う!!
1モルのFe2O3を原料とすると何モルのFeが取り出せるはずか?
Fe2O3 1モルから[ ]モルの鉄(Fe)が取り出せるか反応式から mol
質量で見ると、[ ]mol× [ ]g/mol
3.2グラムの出発物Fe2O3から何グラムの生成物Feが取り出せるはずなのか?
(考え方)1モルのFe2O3は[ ]gなので、3.2gは、[ a ]molである。
[ a ]molのFe2O3からは[ b ]molのFeが取り出せるはずなので、
Fe 1molが[ c ]gであることから、[ b ]molのFeは[ ]gである。
収率(%) = (実際の生成物の重さ)÷(すべて反応した場合の生成物の重さ)が計算できる。
アボガドロの法則から、温度と圧力が同じだと気体の重さは、その分子量に比例することがわかるので、空気に比較してその気体が重いか、軽いかを計算できる。
このように、質量だけではけっして比較できないものが物質量を使うことで比較できる。
練習問題
空気の組成を体積比、酸素20%、窒素80%としたときの空気1モルの平均質量を求めなさい。
次の気体の1モルの重さを計算しなさい。
水素 一酸化炭素(CO) 二酸化炭素(CO2)
硫化水素(H2S) 硫化水素(H2S) プロパン(C3H8)
同じモル数の気体は同じ体積なので、それぞれの気体の重さはその気体1モルの重さに比例する。空気より重い気体と軽い気体に分けてみよう。
このように化学で物質の量や変化を知る上で、物質量[モル]の知識は必須である。
水に食塩やスクロース(ショ糖)が溶けている(水)溶液は混合物である。このとき、溶けている食塩やスクロースを溶質、溶かしている水を溶媒という。
濃度は、一般的に 溶質の量 / 溶液の量 で表す。化学では溶液の濃度を目的によって使い分ける。
以下、32gのメタノールを水に溶かして100gにした場合について考える。
質量パーセント濃度= 溶質の質量[g] / 溶液の質量[g] ×100= 溶質の質量[g] / 溶質の質量[g]+溶媒の質量[g] ×100
一般的に希薄溶液で使われる。濃度が濃い場合。上記の例の場合
32[g]/100[g]= 0.32・・・・・・・・・・・・・32[wt%]
物質量/体積濃度
化学で最も多く使われる濃度で、物質量を溶液の体積(L)で割ったもの。計測しやすい体積を測ることによって溶質の物質量を知ることができる。
体積モル濃度[mol/L]= 溶質の物質量[mol] / 溶液の体積[L]
32gのメタノールを水に溶かして100Lにした場合、32gのメタノールは1モルなので、
1.00×10-2 mol/L
物質名 | 窒素 | リン | 臭素 | 酸素 | ヨウ素 | 炭素 | フッ素 | ケイ素 | 塩素 |
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原子番号 | |||||||||
元素記号 | |||||||||
価電子の数 | |||||||||
原子価 |
化学式 | H2 | CO2 | CH4 | O2 | H2O |
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電子式 | |||||
構造式 | |||||
分子の形 | |||||
化学式 | NH3 | O2 | NH3 | N2 | HCl |
電子式 | |||||
構造式 | |||||
分子の形 | |||||
化学式 | C2H6 | Cl2 | CH3COOH | CH3OH | SO2 |
電子式 | |||||
構造式 | |||||
分子の形 |
HCl , H2O , Al , NaCl , CO2 , NH3 , CaCl , SO2 , KF , MgSO4 , Na , CaO
共有結合 | A | |
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イオン結合 | B | |
金属結合 | C |
アルミニウム | ドライアイス | 食塩 | 水 | ダイアモンド | ||
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A)結晶の種類 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
B)原子,イオン,分子間の結合 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
結晶の性質 | C)導電性 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
D)延性・展性 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | |
E)融点/沸点 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 |
A : 結晶の種類 [ 1 : 共有結合結晶 2 : イオン結晶 3 : 金属結晶 4 : 分子結晶 ]
B : 原子,イオン,分子間の結合
[1 : 静電気力 ,,2: 電子の共有,3:ファンデルワールス力,4:自由電子,5:水素結合 ]
C : 導電性 [ 1 : あり 2 : なし ]
D : 延性・展性[ 1 : あり 2 : なし ]
E : 沸点/融点 [ 1 : -79℃で昇華 2 : 3550 ℃ 3 : 0℃ 4 : 801℃ 5 : 660℃ ]
塩素分子(a ),水分子(b ),塩化水素分子(c ),二酸化炭素分子(d ),
窒素分子(e ),ヘリウム分子(f ),メタン分子(g ),アンモニア分子(h )