物質の成り立ち・化学結合3 理論化学 物質の構成 1...
TRANSCRIPT
2
理論化学
物質の構成1
1 では，物質を構成する粒子である「原子」や「化学結合」，「結晶」について学習します。また，化学を学ぶうえで最も重要な単位「mol」と，化学反応を表す「化学反応式」の基本を確認します。また，物質量などを用いて表す「溶液の濃度」と，原子・分子の発見と関連の深い「化学の基本法則」について学習します。なお，「化学の基本法則」については，教科書によっては「参考」としてのみ扱われていますが，反応の量的関係の理解を深めるうえで役立ちますので，目を通してみてください。
物質の成り立ち・化学結合
物質の分類1
物質は以下のように分類できる。
物質純物質：ただ 1種類の物質からなるもの
単体： 1種類の元素からなる物質化合物： 2種類以上の元素からなる物質
混合物： 2種類以上の物質が混じり合ったもの
単体と化合物 化学の教科書の表紙をめくってみると，そこにはたいてい元素の「周期表」が載っているだろう。物質はこれら 110種類ほどの元素により構成されている。物質の中で， 1種類の元素を構成成分とするものをとくに「単体」という。一方， 2種類以上の元素を構成成分とするものを，複数の元素が化合したものという意味で「化合物」という。たとえば，私たちが生きていくのに必要不可欠な酸素と水を考えてみよう。酸素 O2は O（酸素）のみからできているので単体である。一方，水 H 2Oは H（水素）と O（酸素）という2種類の元素からできているので化合物である。
同素体 同じ元素からなる単体で，性質の異なる物質を互いに「同素体」であるという。同じ元素から構成されているにもかかわらず，同素体の性質は互いに異なる。たとえば，炭素の同素体である黒鉛とダイヤモンドでは，黒鉛が黒色，不透明の柔らかい結晶で電気を通すのに対し，ダイヤモンドは無色，透明の硬い結晶で電気を通さない。この性質の違いは，物質を構成する粒子がどのように集まっているかによる。 同素体が存在する元素としては，炭素 C，酸素 O，リン P，硫黄 Sが有名である。
炭素：黒鉛（グラファイト），ダイヤモンド，フラーレン など酸素：酸素 O2，オゾン O3リン：赤リン，黄リン など硫黄：斜方硫黄，単斜硫黄，ゴム状硫黄 など
純物質と混合物 単体や化合物が，その 1種類のみで存在するとき，これを「純物質」という。純粋で混ざり物がないという意味である。一方， 2種類以上の物質が混じり合ったものを「混合物」という。身のまわりの多くのものは混合物である。身近な混合物として，窒素や酸素などからなる空気がある。
本科／Z Sstudy サポート＆トレーニング／理系化学 見本
3
理論化学
物質の構成
1
問１ 問２
問１問２ 問１
問１ メタン，水素，水，アルミニウム，塩化ナトリウム海水，牛乳
問２ 水素，アルミニウムメタン，水，塩化ナトリウム
問１
問２ 問１CH4 H2 H2O Al NaCl
1 2
混合物の分離2 混合物を分離する操作には，「ろ過」，「蒸留」，「再結晶」，「抽出」などがある。
ろ過ろ過
蒸留蒸留
24 4
分留
例題例題
XCSJ01-Z1Z1-02XCSJ01-Z1Z1-02
4
再結晶再結晶
抽出抽出
その他の分離操作昇華
クロマトグラフィー
原子の構造3
原子原子核
陽子（正の電荷をもつ）中性子（電荷をもたない）
電子殻-電子（負の電荷をもつ）
1 2
= 原子 1 51 9
原子の構造
原子番号と質量数
原子番号質量数
1/1840
陽子
電子殻
原子核
：
電子：中性子：
陽子
電子殻
原子核
：
電子：中性子：
H21質量数
(=陽子の数+中性子の数)
原子番号(=陽子の数)
元素記号
H21質量数
(=陽子の数+中性子の数)
原子番号(=陽子の数)
元素記号
XCSJ01-Z1Z1-03
5
理論化学
物質の構成
1 同位体
同位体 H
1 = 1 1
2 2
放射性同位体17O 37Cl 14C
放射性同位体
電子殻と電子配置4 原子の中の電子は，原子核の周囲にいくつかの層をなして存在している。これらを「電子殻」といい，原子核に近いものから順に，「K殻，L殻，M殻，N殻，…」とよぶ。電子殻への電子の配列の仕方を「電子配置」という。
18 Ar
K
2 8 18 32 20 Ca
最外殻 最外殻電子価電子
H (陽子1，中性子0)11 H (陽子1，中性子1)2
1
陽子 中性子 電子: ::
H (陽子1，中性子0)11 H (陽子1，中性子1)2
1
陽子 中性子 電子: ::
17+ 18+15+14+13+12+11+
10+9+8+7+6+5+4+3+
2+1+
20+19+
K殻
K殻
L殻
K殻
L殻M殻
H1
Li3 Be4 B5 C6 N7 O8 F9 Ne10
Na11 Mg12
K19 Ca20
Al13 Si14 P15 S16 Cl17 Ar18
16+
He2
17+ 18+15+14+13+12+11+
10+9+8+7+6+5+4+3+
2+1+
20+19+
K殻
K殻
L殻
K殻
L殻M殻
H1
Li3 Be4 B5 C6 N7 O8 F9 Ne10
Na11 Mg12
K19 Ca20
Al13 Si14 P15 S16 Cl17 Ar18
16+
He2
XCSJ01-Z1Z1-04
6
安定な電子配置
8 K 2
8 8
He Ne Ar
希ガスHe Ne Ar 8 He 2 希ガス
イオン5 原子が電子を放出すると陽イオンに，電子を受け取ると陰イオンになる。
>
>
価数
7 1 1
1 1 1
イオンからなる物質
イオン結合イオン結晶
11+ 11+
Na Na e(Ne型)
9+ 9++ +
F e F(Ne型)
- +
11+ 11+
Na Na e(Ne型)
9+ 9++ +
F e F(Ne型)
- +
11+
Na NaCl
17+ 11+ 17+
Cl Na+
Na+
+
Cl-
Cl--
イオンの生成 イオン結合 イオン結晶
11+
Na NaCl
17+ 11+ 17+
Cl Na+
Na+
+
Cl-
Cl--
イオンの生成 イオン結合 イオン結晶
XCSJ01-Z1Z1-05
7
理論化学
物質の構成
1 イオン式と組成式化学式 Na+
Cl- イオン式
組成式
組成式の考え方2
Ca2+ 1 Cl-
Cl- Ca2+ 2
Ca2+ Cl-
2 1
1 2 2
Ca2+ Cl- CaCl2
1
13 27 問１ 問４問１問２問３問４
問１ 13 14 13
問２ 問３ 問４ ネオン
K 2個 L 8個 M 3個 K 2個 L 8個 M 0個
問１ ( )=( )=( ) 13
( )=( )+( ) ( )=( )-( )=27-13=14
問２ K 2 L
8 3 M
問３ 3 3 3
問４ 10 10 10
例題例題
3+
K殻：2個L殻：1個
3+
K殻：2個L殻：1個
13+13+ 13+13+
13+ 13+ + 3
Al Al 3e3+ -
13+ 13+ + 3
Al Al 3e3+ -
XCSJ01-Z1Z1-06
8
元素の周期表6 元素を原子番号の順に並べ，性質がよく似た元素が同じ縦の列にくるように並べた表を「周期表」という。周期表の縦の列を「族」といい，周期表の横の列を「周期」という。
H 1 アルカリ金属 Be Mg 2 アルカリ土類金属 17
ハロゲン 18 希ガス
典型元素 1 2 12 18 遷移元素 3 11
金属元素 非金属元素
周期律
1869
Ge Zn As
Si Es
Ge
1 7
期周族
Na Mg Al Si P S Cl Ar
6 C F
H
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Kr
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Csランタノイド
アクチノイド
Hf Ta W Re Os Ir
Mt
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po
Fr
3
2
1
4
5
6
7 Ra
1
K19
Be4
12
57～71
89～103
21
39
22
40
72
23
41
73
24
42
74
25
43
75
26
44
76
27
45
77
Rf Db Sg Bh Hs104 105 106 107 108 Ds110 Rg111109
28
46
78
29
47
79
30
48
80
5 B
13
31
49
81
14
32
50
82
N7
15
33
51
83
O8
16
34
52
84
9
17
He2
Ne10
18
36
54
Rn86
アルカリ金属
アルカリ土類金属
ハロゲン
希ガス
Br
At
遷移元素20
38
56Ba
88
3Li
11
37
55
87
53
35
85
Cn112
期周族
Na Mg Al Si P S Cl Ar
6 C F
H
Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Kr
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Csランタノイド
アクチノイド
Hf Ta W Re Os Ir
Mt
Pt Au Hg Tl Pb Bi Po
Fr
3
2
1
4
5
6
7 Ra
1
K19
Be4
12
57～71
89～103
21
39
22
40
72
23
41
73
24
42
74
25
43
75
26
44
76
27
45
77
Rf Db Sg Bh Hs104 105 106 107 108 Ds110 Rg111109
28
46
78
29
47
79
30
48
80
5 B
13
31
49
81
14
32
50
82
N7
15
33
51
83
O8
16
34
52
84
9
17
He2
Ne10
18
36
54
Rn86
アルカリ金属
アルカリ土類金属
ハロゲン
希ガス
Br
At
遷移元素20
38
56Ba
88
3Li
11
37
55
87
53
35
85
Cn112
XCSJ01-Z1Z1-07
9
理論化学
物質の構成
1 イオン化エネルギー7 気体状の原子から電子 1個を取り去って 1価の陽イオンにするのに必要な最小のエネルギーを，「（第 1）イオン化エネルギー」という。
M 1 M+
1 I kJ/mol] gM( )=M+( )+e--I kJ
イオン化エネルギーが小さい原子ほど，陽イオンになりやすい。
電子親和力8 気体状の原子が電子 1個を取り入れるときに放出するエネルギーを，「電子親和力」という。
X 1 X-
E kJ/mol] gX( )+e-=X-( )+E kJ
電子親和力が大きい原子ほど，陰イオンになりやすい。
分子9 いくつかの原子が結びついてできる粒子を「分子」という。分子中の原子は，互いに電子を出し合って共有することにより結合している。
2
5 10 15 200
500
1000
1500
2000
2500
原子番号
イオン化エネルギー
〔kJ/mol〕
HeNe
KNaLi
Ar
◆原子のイオン化エネルギー
5 10 15 200
500
1000
1500
2000
2500
原子番号
イオン化エネルギー
〔kJ/mol〕
HeNe
KNaLi
Ar
◆原子のイオン化エネルギー
0 5 10 15 20 25 300
50
100
150
200
250
300
350
原子番号
電子親和力
〔kJ/mol〕
F Cl
◆原子の電子親和力
0 5 10 15 20 25 300
50
100
150
200
250
300
350
原子番号
電子親和力
〔kJ/mol〕
F Cl
◆原子の電子親和力
XCSJ01-Z1Z1-08
10
共有結合
2
分子の構造式2 1 単結合 2
3 二重結合 三重結合価標 構造式
K L
8
分子式分子式
金属10 金属原子の価電子は，金属中を自由に動き回ることができ，すべての金属原子に共有されている。このように自由に動き回ることのできる電子を「自由電子」といい，自由電子がすべての金属原子に共有されることによってできる結合を「金属結合」という。
物質名 電子式 構造式 共有結合
水素 HH H-H 単結合
水 H‥Ｏ‥H H-O-H 単結合
二酸化炭素 ‥Ｏ Ｃ
‥Ｏ O=C=O 二重結合
窒素 Ｎ……Ｎ N N 三重結合
物質名 電子式 構造式 共有結合
水素 HH H-H 単結合
水 H‥Ｏ‥H H-O-H 単結合
二酸化炭素 ‥Ｏ Ｃ
‥Ｏ O=C=O 二重結合
窒素 Ｎ……Ｎ N N 三重結合
電子（自由に動き回る）
金属陽イオン
電子（自由に動き回る）
金属陽イオン
XCSJ01-Z1Z1-09
11
理論化学
物質の構成
1
問１ 問２CH4 Al KCl O2 Cu
問１ 3
問２ 問１
問１ KCl CH4 O2 Al Cu
問２ H C H O O
1 6Al Cu
KCl KCl K+ Cl-
CH4
O2
O O
例題例題
HH
HH
XCSJ01-Z1Z1-10
12
共有結合11 2個の原子間で電子の対をつくり，これを原子が共有することによりできる結合を「共有結合」という。このとき，原子間で共有される電子対を「共有電子対」という。
電子式
電子式
2 電子対 不対電子 N N
5 3 2
2 4 1
2 共有電子対非共有電子対
配位結合配位結合
H2O H+ H3O+
酸素分子 O2 + O・・ ・・
・・・・・・・・・
・O・・・・・・
不対電子
不対電子
・・・・O O
共有電子対
〔電子式〕
O=O
〔構造式〕
アンモニア分子 NH3 + N
・・
・・・・3H ・・N
・・・・・・H H
H
H N H
H
酸素分子 O2 + O・・ ・・
・・・・・・・・・
・O・・・・・・
不対電子
不対電子
・・・・O O
共有電子対
〔電子式〕
O=O
〔構造式〕
アンモニア分子 NH3 + N
・・
・・・・3H ・・N
・・・・・・H H
H
H N H
H
+ +H+
H H
非共有電子対 空の部分
OH
H HO+ +H+
H H
非共有電子対 空の部分
OH
H HO
XCSJ01-Z1Z1-11
13
理論化学
物質の構成
1H2O H+ O H
H3O+
H3O+ O H
H3O+ H3O+
1 H + H3O+ +
錯イオン錯イオン
配位子配位数 Cl-
OH- CN- NH3 H2O
◆イオンの種類と配位数
錯イオンの化学式[ ]
Zn2+ 4 OH-
Zn OH- 4
Zn(OH)4
(Zn2+ )+( 4 OH- )=(+2)+(-1)#4=-2
[Zn(OH)[Zn(OH)4]2-
錯イオンの構造2 直線形 4 正方形 正四面体 6 正
八面体
イオン Ag Zn Cu Fe ，Fe Co Ni Cr Al
配位数 2 4 6
錯イオンの形 直線型 正四面体 正方形 正八面体
イオン Ag Zn Cu Fe ，Fe Co Ni Cr Al
配位数 2 4 6
錯イオンの形 直線型 正四面体 正方形 正八面体
Cu2+
H2O
H2OH2O
H2O
（正方形）[Cu(H2O)4]2＋
NH3
NH3
NH3
NH3
（正四面体）[Zn(NH3)4]2＋
（直線形）[Ag(NH3)2]＋
Fe2＋
CN-
CN-
CN-
CN-
CN-
CN-
（正八面体）[Fe(CN)6]4-
Ag＋NH3 NH3 Zn2+Cu2+
H2O
H2OH2O
H2O
（正方形）[Cu(H2O)4]2＋
NH3
NH3
NH3
NH3
（正四面体）[Zn(NH3)4]2＋
（直線形）[Ag(NH3)2]＋
Fe2＋
CN-
CN-
CN-
CN-
CN-
CN-
（正八面体）[Fe(CN)6]4-
Ag＋NH3 NH3 Zn2+
XCSJ01-Z1Z1-12
14
錯イオンの名称
2 3 4 5 6
NH3 H2O CN- OH-
Cl-
[Ag(NH3)2]+ [Cu(H2O)4]2+
[Zn(NH3)4]2+
[Fe(CN)6]4-
電気陰性度と分子の極性12 共有結合をつくっている原子が共有電子対を引きつける強さの度合いを数値で表したものを，「電気陰性度」という。共有電子対が電気陰性度の大きい原子の方に引きつけられることにより，結合において電荷の偏りが生じた状態を「極性がある」という。分子全体として極性をもつ分子を「極性分子」，極性をもたない分子を「無極性分子」という。
電気陰性度
F
O N Cl
結合の極性
Cl2 O2
族周期 1 2 13 14 15 16 17 18
1H2.1
He
2Li1.0
Be1.5
B2.0
C2.5
N3.0
O3.5
F4.0
Ne
3Na0.9
Mg1.2
Al1.5
Si1.8
P2.1
S2.5
Cl3.0
Ar
2.2
1.6
1.61.3
2.6
2.6
3.4
2.2 3.21.9
族周期 1 2 13 14 15 16 17 18
1H2.1
He
2Li1.0
Be1.5
B2.0
C2.5
N3.0
O3.5
F4.0
Ne
3Na0.9
Mg1.2
Al1.5
Si1.8
P2.1
S2.5
Cl3.0
Ar
2.2
1.6
1.61.3
2.6
2.6
3.4
2.2 3.21.9
(図中の「δ」は，「少し，若干」という意味をもつ．）(図中の「δ」は，「少し，若干」という意味をもつ．）
XCSJ01-Z1Z1-13
15
理論化学
物質の構成
1 分子の極性
1
2 2
3
0
CO2 C O
無極性分子
H2O CO2
極性分子 折れ線形
d- d+
◆極性分子の例
◆無極性分子の例
H
O
H
C OO
d- d-
d-
d+
d+ d+
打ち消し合う
H
O
H
C OO
d- d-
d-
d+
d+ d+
打ち消し合う
H F HH
N
H BrH
C
Br
H
フッ化水素 アンモニア（三角すい） ジブロモメタン（四面体）
d+
d+ d+
d+
d+
d+
d-
d-
d-
d-
H F HH
N
H BrH
C
Br
H
フッ化水素 アンモニア（三角すい） ジブロモメタン（四面体）
d+
d+ d+
d+
d+
d+
d-
d-
d-
d-
BrBr CO O
HH
C
H
H
臭素 メタン（正四面体）二酸化炭素（直線形）
d+
d+
d+
d+d+
d- d- d-
BrBr CO O
HH
C
H
H
臭素 メタン（正四面体）二酸化炭素（直線形）
d+
d+
d+
d+d+
d- d- d-
XCSJ01-Z1Z1-14
16
問１
問２HCl H2 NH3 CH4 H2O
問１
問２ ⑴ ⑶ ⑸
問１N 5 2 1 3
Cl 7 6 3 1
H 1 Cl 7 6 3
H 1 Cl 1
O 6 4 2 C 4
O 2 C 2
問２
例題例題
⑴ …… ， ⑵‥‥‥‥， - ⑶
‥‥， -
⑷‥ ‥
， ==
⑴ …… ， ⑵‥‥‥‥， - ⑶
‥‥， -
⑷‥ ‥
， ==
XCSJ01-Z1Z1-15
17
理論化学
物質の構成
1 分子間に働く力13 分子からなる物質では，分子と分子の間に「ファンデルワールス力」とよばれる弱い力が働き，この力によって分子どうしが結びついている。この力は共有結合やイオン結合に比べて弱いため，分子からなる物質は，一般に融点が低く，また，軟らかいという特徴をもつ。
分子間力
水素結合O F N
O F N H O F N O F N -
H +
O F N H H2O HF NH3
水素結合
◆ HFの分子間に働く水素結合
水素結合と沸点
14 17
14
15 16 17 NH3 H2O HF
NH3 H2O HF
H
FF
F（…は水素結合）H H H
d+d+
d+
d+
d- d-
d-
H
FF
F（…は水素結合）H H H
d+d+
d+
d+
d- d-
d-
H2O
H2Te
H2SH2Se
HF
HI
HCl HBr
NH3
PH3
SiH4
CH4
GeH4
AsH3
SnH4
SbH3
100
80
60
40
20
20 40 60 80 100 120
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
分子量
温
度
16族
15族17族14族〔℃〕
H2O
H2Te
H2SH2Se
HF
HI
HCl HBr
NH3
PH3
SiH4
CH4
GeH4
AsH3
SnH4
SbH3
100
80
60
40
20
20 40 60 80 100 120
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
分子量
温
度
16族
15族17族14族〔℃〕
XCSJ01-Z1Z1-16