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【化学基礎】化学結合のポイント・判別方法

大学受験「化学」「化学基礎」にとって、ベースとなる知識「化学結合」。文系・理系問わず、共通テストでは必ず出題される内容でもあり、これから化学を学習するにあたって絶対にマスターしなければならない単元でもあります。今日は化学結合についてまとめてみました。

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化学結合は化学学習の土台

化学結合は化学の勉強を進めるにあたって、非常に大切な単元になります。ここがおろそかになっていると、これから出てくる様々な物質の分子式や組成式すら書けない状態になってしまいます。化学の点数が全然伸びない生徒のほとんどが、この「化学結合」の定着が不完全である場合が多いようです。

化学結合とは、その名の通り化学的な粒子の結合になります。この結合の種類によって様々な物質がつくられます。結合の種類によって性質も変わってきますので、物質の名前を見ただけで、どんな結合をしているのかイメージできるようになることが重要です。

化学結合には次の3つの結合があります。

  • イオン結合
  • 共有結合
  • 金属結合

この他に、「配位結合」「水素結合」もありますが、基本となる重要な結合は上記の3つになります。

イオン結合

イオン結合とは、その名の通り、イオンどうしの結合になります。プラスの電気(正電荷)を帯びた陽イオンと、マイナスの電気(負電荷)を帯びた陰イオンが、静電気力(クーロン力)で磁石のように結合したものがイオン結合になります。

磁石のように結合しますので、結合の力は強くなっています。ですので、イオン結合でできた物質は、結合を切り離すために大きなエネルギーが必要になります。そのため、イオン結合をしている物質は、融点・沸点が高くなります。常温で固体のものばかりなのはそのためです。

●イオン結合かどうかの見分け方

イオン結合をしているかどうかの見分け方ですが、これは非常に簡単に見分けることができます。物質の化学式を書いてみてください。金属原子と非金属原子で化合物が形成されている場合はイオン結合になります。下記のような場合です。

  • NaCl
  • CuO
  • Ag2O など

青で書いた原子が金属原子、赤で書いた原子が非金属原子です。金属原子は周期表の左側に登場しますよね。価電子が1個や2個の原子ばかりで、電子を失いやすく陽イオンになりやすい原子たちです。反対の非金属原子は、周期表の右側に登場する原子たちで、価電子が6個や7個のものが多くなっています。電子を受け入れて陰イオンになりやすい原子たちです。

つまり。金属原子と非金属原子からなる化合物は、陽イオンと陰イオンとなり、イオン結合をしているのです。見た瞬間にイオン結合だとわかるようになってください。ちなみに下記の物質は非金属原子同士の結合ですが、イオン結合とみなしてください。

  • NH4Cl

NH4が金属イオンではありませんが、NH4という陽イオンになっていますので、金属原子と同じように陽イオンになっています。

●イオン結合ではイオン結晶ができる

イオン結合している物質は、イオン結晶という結晶をつくっています。イオン結晶の性質を覚えないといけませんが、上記で説明した内容をよく理解できていれば、自ずとその性質が分かつようになります。イオン結晶の性質は以下の通りです。

  • 融点・沸点が高い
    静電気力による結合が強いため
  • 液体や水溶液にすると電気伝導性がでる
    電離して陽イオンと陰イオンになるため
  • 硬いがもろい
    結合力は強いが、結晶がずれると反発しやすくなる

共有結合

共有結合とは、その名の通り、原子間で共有電子対をつくって結合することです。原子が価電子を放出したり、受け入れたりしてイオンになるのではなく、原子たちが最外殻で余っている価電子をお互いに共有し合うことで結合している状態です。

価電子を共有し合い結合してますので、共有結合の力はイオン結合と比べて強くなっています。ですので、共有結合を断ち切って、粒子をバラバラにするにはかなり大きな力が必要になります。ダイヤモンドが硬いのはそのためです。

●共有結合かどうかの見分け方

共有結合かどうかの見分け方も非常に簡単です。物質を分子式や組成式に直してみて、非金属原子だけでできている場合は共有結合になります。下記のような場合です。

  • H2
  • O2
  • H2O
  • CO2
  • NH3

登場するすべての原子が非金属原子になっています。この場合は、陽イオンと陰イオンのように、静電気力で結合できませんので、価電子を共有し合って結合することになります。共有結合では、価電子を点で表した「電子式」や、共有電子対を価標で表した「構造式」も書けるように練習しておいてください。

●共有結合では分子結晶と共有結合の結晶の2つがある

共有結合している物質は、分子結晶をつくる物質と共有結合の結晶をつくる物質の2つに分かれます。

まず、共有結合の結晶ですが、これは、共有電子対を作って共有結合ができますが、これが延々と続いて結晶ができている状態です。構造式で書くと、価標が4本もできますので、ずっと共有結合でつながっていくことになります。下記の4つだけを覚えれば十分です。

  • C(ダイヤモンド、黒鉛)
  • Si
  • SiO2
  • SiC

これらの結合力は非常に強く、一番強い結合と言っていいでしょう。覚える性質は以下の通りです。

  • 融点・沸点が非常に高い
  • 非常に硬い
  • 電気伝導性がない
    ※ただし、黒鉛は電気伝導性があり、ケイ素は半導体になる

次に、分子結晶ですが、これは、まず共有結合で分子ができます。できた分子どうしがファンデルワールス力という弱い力で引き合い分子結晶をつくりだします。ファンデルワールス力とは、引力のようなもので、質量がある物質から生じる力になります。質量が大きければ大きいほどこの力は大きくなります。したがって、分子量が大きな物質ほど結合の力は多きくなっていきます。分子結晶をつくっている物質は以下のようなものがあえます。非金属原子だけでできている物質で、共有結合の結晶をつくっていないもの全てです。

  • CO2
  • H2O
  • NH3 など

分子結晶は、共有結合の結晶やイオン結晶と比べると、結合の力が非常に弱いです。したがって分子結晶の性質は以下の通りとなります。

  • 融点・沸点が低い
  • 常温で気体や液体のものが多い
  • 昇華性がある
  • 柔らかくてもろい
  • 電気伝導性がない

金属結合

金属結合とは、金属原子が出す自由電子によって規則正しく結合されたものをいいます。金属原子だけでできている物質は金属結合になります。原子間で自由電子を共有し合うことがポイントです。このため電気を導いたり、熱をよく伝えるなどの性質が出てきます。

●金属結合かどうかの見分け方

金属結合かどうかはすぐにわかります。金属単体の場合はすべて金属結合です。以下のような物質が金属結合です。

  • Fe
  • Cu
  • Ag など

●金属結合では金属結晶ができる

金属結合している物質は金属結晶をつくります。結晶の構造は、体心立方格子、面心立方格子、六方最密構造の三つがありますが、詳細は省略します。金属結晶の性質は、中学校で習った、金属の性質と同じです。

  • 展性と延性
  • 電気伝導性
  • 熱伝導性
  • 融点・沸点は比較的高い

化学結合のまとめ

3つの結合を説明しました。ここは非常に重要です。ここまで読んでいまいち理解ができないという方は、この前の原子やイオンのところからやり直すようにしましょう。はっきりいってここで手を抜くと、これ以降が理解できない状態になってしまいます。

この最初の「化学結合」「物質量」「化学反応式」までをしっかりとマスターできたならば、あとはスムーズに学習が進むと思います。頑張ってください。

化学結合の練習問題

次の物質がつくっている結合のうち、共有結合でできている物質をすべて選べ。
ア:鉄  イ:酸化銅  ウ:酸素  エ:ダイヤモンド  オ:塩化ナトリウム
カ:二酸化炭素  キ:アンモニア  ク:水素  ケ:水  コ:銀

解答ウ、エ、カ、キ、ク、ケ
それぞれを化学式で書いて、非金属元素だけでできている物質を選びましょう。
ア:Fe イ:CuO ウ:O₂ エ:C オ:NaCl カ:CO₂ キ:NH₃ ク:H₂ ケ:H₂O コ:Ag

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