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CHEM 1305 Introductory Chemistry

Learning Objectives

このセクションの終わりには、以下のことができるようになるであろう。

  • イオン化合物と分子（共有）化合物の定義
  • 周期表内の位置に基づいて、元素から形成される化合物の種類を予測
  • 単純イオン化合物の式を決定

通常の化学反応で、各原子の核（したがって元素の特定）は変化しないままである。 しかし、電子は他の原子から移されて原子に加わったり、他の原子に移されて失われたり、他の原子と共有されたりする。 原子間の電子の移動と共有が、元素の化学反応を支配している。 図1）。図Aはナトリウム原子（Na）を示しており、11個の陽子と12個の中性子を含む原子核を持つ。 原子の周囲の電子雲は11個の電子を含んでいる。 図Bはナトリウムイオンで、N aは上付き添いプラス記号である。 原子核は陽子11個、中性子12個を含む。 イオンの電子雲には10個の電子があり、図Aのナトリウム原子の電子雲より小さくなっている。 (a）ナトリウム原子（Na）は、陽子と電子の数が等しく（11個）、電荷を持たない。 (b) ナトリウムカチオン(Na+)は電子を1つ失っているので、電子(10)よりも1つ多い陽子(11)を持ち、上付き添いのプラス記号で示される全体的に正の電荷を持つ。

周期表を使って、原子が陰陽どちらになるか予測でき、得られるイオンの電荷もしばしば予測できるようになります。 多くの主族金属の原子は、先行する希ガスの原子と同じ数の電子を残すために、十分な電子を失います。 例えば、アルカリ金属（1族）の原子は1個の電子を失い、1+の電荷を持つ陽イオンを形成し、アルカリ土類金属（2族）は2個の電子を失い、2+の電荷を持つ陽イオンを形成するなど、様々な種類があります。 例えば、陽子20個、電子20個を持つ中性のカルシウム原子は、容易に電子を2個失います。 その結果、陽子20個、電子18個、電荷2+の陽イオンになる。 これは、先行する希ガスであるアルゴンの原子と同じ数の電子を持ち、Ca2+と記号化される。 金属イオンの名前は、それが形成された金属原子の名前と同じなので、Ca2+はカルシウムイオンと呼ばれます。

非金属元素の原子がイオンを形成するとき、それらは一般的に周期表の次の希ガスの原子と同じ数の電子を与えるのに十分な電子を獲得する。 17族の原子は電子を1個得て1価の陰イオンに、16族の原子は電子を2個得て2価のイオンに、というように。 例えば、陽子35個、電子35個を持つ中性臭素原子は、電子を1個得て36個の電子を持つことができる。 この結果、陽子35個、電子36個、電荷1-のアニオンができる。 これは次の希ガスであるクリプトンの原子と同じ数の電子を持ち、Br-と記号で表される。 (イオン形成の予測規則に反映されている希ガスの電子数が有利であることを裏付ける理論については、このテキストの後の章で説明します。)

考えられるイオン形成と電荷を予測する上で、周期表の有用性に注目してください(図2)。 周期表の左端から右端に向かって、主群元素は群番号に等しい電荷を持つ陽イオンを形成する傾向があります。 つまり、1族元素は1+イオン、2族元素は2+イオンを形成し、以下同様である。 周期表の右端から左端にかけては、希ガスから左に移動したグループの数に等しい負の電荷を持つ陰イオンを形成することが多い。 例えば、17族元素（希ガスから1族残った）は1-イオン、16族元素（2族残った）は2-イオン、といった具合になる。 この傾向は多くの場合目安になるが、周期表の中心に向かっていくにつれて予測力が低下する。 実際、遷移金属やその他の一部の金属は、表中の位置では予測できない可変電荷を示すことが多い。 例えば、銅は1+または2+の電荷を持つイオンを形成し、鉄は2+または3+の電荷を持つイオンを形成することができる。

周期表の第1族には第2周期にL i上付き+記号、第3周期にN a上付き+記号、第4周期にK上付き+記号、第5周期にR b上付き+記号、第6周期にC s上付き+記号および第7周期にF r 上付き+記号が含まれる。 グループ2には、期間2にB e上付き2＋符号、期間3にM g上付き2＋符号、期間4にC a上付き2＋符号、期間5にS r上付き2＋符号、期間6にB a上付き2＋符号、期間7にR a上付き2＋符号が含まれています。 第6グループは、第4期にC r上付き3＋符号とC r上付き6＋符号を含む。 グループ7は、第4期にM n上付き添え字2＋符号を含む。 グループ8は、期間4でF e上付き文字2＋符号とF e上付き文字3＋符号を含む。 グループ9は、期間4でC o上付き添え字2＋符号を含む。 第10群は、第4期にN i 上付き2＋符号、第6期にP t 上付き2＋符号を含む。 第11群は、第4期にC U上付きプラス記号とC U上付き2プラス記号、第5期にA g上付きプラス記号、第6期にA u上付きプラス記号とA u上付き3プラス記号を含む。 グループ12は、期間4にZ n上付き2プラス記号、期間5にC d上付き2プラス記号、期間6にH g下付き2上付き2プラス記号とH g上付き2プラス記号を含んでいます。 グループ13は、期間3にA l上付き添え字3プラス記号を含む。 グループ14は、期間2にC上付き4マイナスの符号を含む。 グループ 15 は、期間 2 に N 上付き文字 3 の負符号、期間 3 に P 上付き文字 3 の負符号、期間 4 に A s 上付き文字 3 の負符号を含む。 グループ16は、期間2にO上付き2つの負符号、期間3にS上付き2つの負符号、期間4にSe上付き2つの負符号、期間5にTe上付き2つの負符号を含む。 グループ17は、第2期にF上付き負符号、第3期にC l上付き負符号、第4期にB r上付き負符号、第5期にI上付き負符号、第6期にA t上付き負符号を含む。 グループ18は、第1期がH e、第2期がN e、第3期がA r、第4期がK r、第5期がX e、第6期がR nを含んでいる

図2。 いくつかの元素はイオンを形成するとき、規則的なパターンのイオン電荷を示す。

例1：イオンの組成

制汗剤として用いられるいくつかの化合物に見られるイオンには、13個の陽子と10個の電子がある。 その記号は何か。

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原子がイオンを形成するとき、陽子の数は変化しないので、その元素の原子番号は13でなければなりません。 これがわかれば、周期表を使って、この元素がAl（アルミニウム）であることがわかります。 Al原子は電子を3個失っているため、電子の数（10）よりも正の電荷（13）の方が3個多くなっています。 これがアルミニウムカチオン、Al3+です。

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陽子数34、電子数36のイオンの記号と名前を答えなさい。

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Se2-, セレン化物イオン

Example 2.陽子数34、電子数36のイオンは、Se3+です。 イオンの生成

マグネシウムと窒素が反応してイオン性化合物を生成する。 どちらが陰イオン、どちらが陽イオンになるか、またそれぞれのイオンの電荷を予想しなさい。 それぞれのイオンの記号を書き、名前をつけなさい。

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マグネシウムは周期表（2族）の中で金属であることがわかります。 金属は正イオン（陽イオン）を形成します。 マグネシウムの原子は、前の希ガスであるネオンの原子と同じ数の電子を持つために、2個の電子を失わなければなりません。 したがって、マグネシウム原子は陽子より2個少ない電子と2+の電荷を持つ陽イオンを形成することになる。 このイオンの記号はMg2+で、マグネシウムイオンと呼ばれます。

周期表における窒素の位置（第15族）から、非金属であることがわかります。 非金属はマイナスイオン(陰イオン)を形成します。 窒素原子は、次の希ガスであるネオンの原子と同じ数の電子を持つために、3個の電子を獲得する必要があります。 したがって、窒素原子は陽子より電子が3個多く、電荷が3-の陰イオンを形成することになる。 このイオンの記号はN3-で、窒化物イオンと呼ばれます。

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アルミニウムと炭素が反応してイオン性化合物を形成する。 どちらが陰イオン、どちらが陽イオンになるか、またそれぞれのイオンの電荷を予想せよ。 それぞれのイオンの記号を書き、名前をつけなさい。

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Al は電荷が3+の陽イオンを形成する。 Al3+、アルミニウムイオンです。 炭素は電荷が4-の陰イオン：C4-、炭化物イオンになります。

これまで説明してきたイオンは単原子イオン、つまり一つの原子からできるイオンと呼ばれます。 また、多原子イオンも多く見受けられます。 これらのイオンはバラバラの単位で、電気を帯びた分子（全体として電荷を持つ原子の結合したグループ）です。 より重要な多原子イオンのいくつかを表1に示します。 オキシアニオンとは、1個以上の酸素原子を含む多原子イオンのことです。 化学を学ぶこの時点で、最も一般的な多原子イオンの名前、式、電荷を暗記しておく必要があります。 あなたは繰り返し使用するため、彼らはすぐに慣れてくるでしょう。

いくつかの多原子イオンを命名するためのシステムがあることに注意してください：-ateと-iteは、より多くのまたはより少ない酸素原子を含む多原子イオンを指定する接尾語である。 Per- (short for “hyper”), hypo- (underの意) はそれぞれ-ateより多い酸素原子、-iteより少ない酸素原子を意味する接頭辞である。 例えば、過塩素酸塩は {text{ClO}}_{4}^{-} 、塩素酸塩は {text{ClO}}_{3}{}^{-} 、亜塩素酸塩は {text{ClO}}_{2}^{-} 、次亜塩素酸塩は ClO- である。 残念ながら、ある接尾辞や接頭辞に対応する酸素原子の数は一定ではありません。例えば、硝酸塩は{text{NO}}_{3}{}^{-}ですが、硫酸塩は{text{SO}}_{4}{}^{2-}となります。 これは、命名法に関する次のモジュールで詳しく説明します。

化合物内で原子またはイオンを一緒に保持する引力の性質は、化学結合を分類するための基礎となるものです。 電子が移動してイオンが形成されると、イオン結合が生じます。 イオン結合は静電気的な引力、つまり反対の電荷を持つ物体（この場合は陽イオンと陰イオン）の間で経験する引力である。 電子が「共有」され、分子が形成されると、共有結合が生じます。 共有結合は、結合した原子の正電荷の原子核と、原子の間にある1対以上の電子の間の引力である。

イオン性化合物

電子を失いやすい原子からなる元素（金属）と電子を得やすい原子からなる元素（非金属）が反応すると、通常は電子の移動が起こり、イオンが生成されます。 この移動によって生成された化合物は、化合物中に存在する反対の電荷を持つイオン間の静電引力（イオン結合）によって安定化される。 例えば、金属ナトリウム（1族）中のナトリウム原子が1個の電子を与えてナトリウムカチオンとなり、塩素ガス（17族）中の塩素原子が1個の電子を与えて塩素アニオンとなると、ナトリウムイオンと塩素イオンがCl-イオン1個に対してNa＋イオン1個の割合で存在する化合物NaClが生成されることになります。 同様に、カルシウム原子（第2族）は、2個の電子を放棄して、2個の塩素原子にそれぞれ1個ずつ移動してCaCl2となり、Ca2+イオンとCl-イオンから構成され、その割合は、Ca2+イオン1個に対してCl-イオン2個となります

イオン結合によって結合した化合物をイオン性化合物と呼びます。 周期表から、イオン性の化合物の多くを認識することができます。 金属が1つ以上の非金属と組み合わされる場合、その化合物は通常イオン性である。 このガイドラインは、化学入門コースで通常遭遇するほとんどの化合物について、イオン性化合物の生成を予測するのに有効である。 しかし、常に正しいとは限りません（たとえば、塩化アルミニウム (AlCl3) はイオン性ではありません）。

イオン性化合物は、その特性から認識できることがよくあります。 イオン化合物は、通常、高温で溶け、さらに高温で沸騰する固体です。 たとえば、塩化ナトリウムは 801 ℃で融解し、1413 ℃で沸騰します。 分子化合物の水は0℃で融解し、100℃で沸騰する(比較のため)。 イオン性化合物は、固体状態ではイオンが流れないため、電気を通さない（電気とは荷電粒子の流れである）。

この図は、3枚の写真を右向きの矢印でつないだものです。 1枚目は、複雑な実験装置の一部である電球が写っている。 電球は点灯していません。 2枚目は、物質が加熱されたり、火をつけられたりしている写真です。 3枚目は点灯している電球を再び撮影したもの。

図3. 塩化ナトリウムは801℃で溶け、溶けた状態で電気を通す。 (出典: Mark Blaser and Matt Evansによる作品の改変)

この動画では、塩の混合物が溶けて電気を通す様子をご覧いただけます。

すべてのイオン性化合物で、カチオンのプラス電荷の合計数はアニオンのマイナス電荷の合計数と等しくなります。 したがって、イオン性化合物は、正と負のイオンを含んでいても、全体としては電気的に中性です。 このことを利用して、イオン性化合物の式を書くことができます。 3000>

例3：イオン性化合物の式の予測

宝石のサファイア（図4）は、大部分がアルミニウムと酸素の化合物で、アルミニウム陽イオンAl3+と酸素陰イオンO2-を含んでいます。 この化合物の式は何でしょうか。

これはサファイアがセットされた指輪の写真です。

図4. 純粋な酸化アルミニウムは無色であるが、微量の鉄とチタンがブルーサファイアの特徴的な色を出している。 (出典：Stanislav Doronenkoの作品を改変)

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イオン化合物は電気的に中性でなければならないので、正と負の電荷が同じ数でなければなりません。 2つのアルミニウムイオン（それぞれ電荷は3+）は6つの正の電荷を与え、3つの酸化物イオン（それぞれ電荷は2-）は6つの負の電荷を与えます。 3000>

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ナトリウムカチオンNa+とスルフィドアニオンS2-の間にできるイオン化合物の式を予想しなさい。

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Na2S

多くのイオン化合物は、カチオン、アニオン、またはその両方として多原子イオン（表1）を含んでいます。 単純なイオン化合物と同様に、これらの化合物も電気的に中性でなければならないので、多原子イオンを個別の単位として扱うことで、その式を予測することができる。 式中の括弧は、ユニットとして振る舞う原子のグループを示すのに使う。 例えば、私たちの骨に含まれる鉱物の一つであるリン酸カルシウムの式は、Ca3(PO4)2です。 この式は、リン酸基2個に対してカルシウムイオン（Ca2+）が3個あることを表しています♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪♪「♪PO}_{4}^{3-}」となります。 この{text{PO}}_{4}{}^{3-}基は、それぞれが1つのリン原子と4つの酸素原子からなる個別の単位であり、全体の電荷は3-である。 この化合物は電気的に中性で、その式は3つのCa、2つのP、および8つのO原子の総数を示している。

例4：多原子アニオンを持つ化合物の式を予測する

ベーキングパウダーには、イオンCa2+と{テクスチャーH}_{2}{PO}}_{4}^{-}からなるイオン化合物、リン酸二水素カルシウムが含まれています。 この化合物の式は何か。

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正と負の電荷が釣り合って、このイオン性化合物は電気的に中性でなければならない。 したがって、カルシウムイオンの2+の電荷と釣り合うように、2つの負の電荷を持たなければなりません。 これには、1つのCa2+イオンと2つの{text{H}}_{2}{text{PO}}_{4}{}^{-}イオンの比率が必要です。 リン酸二水素イオンの式を括弧で囲み、添え字の2を付けて指定します。 式はCa(H2PO4)2です。

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リチウムイオンと過酸化物イオンの間にできるイオン化合物の式、{テキトー{O}}_{2}^{2-}を予想しなさい。 (ヒント：周期表を使ってリチウムイオンの符号と電荷を予測する。)

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Li2O2

イオン化合物は単一の、個別の分子から構成されていないため、分子式を使って適切に記号化できない場合があります。 代わりに、イオン化合物は構成する陽イオンの相対的な数を示す式で記号化する必要があります。 単原子イオンだけを含む化合物（NaClなど）や多原子イオンを含む多くの化合物（CaSO4など）では、この式は本章で紹介した経験式に過ぎない。 しかし、多原子イオンを含む一部のイオン性化合物の式は経験式ではありません。 例えば、シュウ酸ナトリウムというイオン化合物は、Na+と{text{C}}_{2}{text{O}}_{4}{}^{2-}イオンが2：1の割合で結合しており、その式はNa2C2O4と表記されます。 この式の添え字は可能な限り小さな整数ではなく、それぞれを2で割ると経験式NaCO2が得られるからである。 しかし、これはシュウ酸ナトリウムの式として認められているものではなく、化合物の多原子アニオンである {text{C}}_{2}{text{O}}_{4}}^{2-} を正確に表していないからです。

Molecular Compounds

多くの化合物はイオンを含まず、代わりに個別の中性分子のみからなります。 これらの分子化合物（共有結合化合物）は、原子が電子を移動（獲得または喪失）させるのではなく、共有することによって生じます。 共有結合は化学において重要かつ広範な概念であり、このテキストの後の章でかなり詳細に扱われる。 私たちは、多くの場合、その物理的特性に基づいて分子化合物を識別することができます。 通常の条件下では、分子化合物は気体、低沸点液体、低融点固体として存在することが多いが、多くの重要な例外が存在する。

イオン化合物が通常金属と非金属の組み合わせで生成するのに対し、共有結合性化合物は通常非金属の組み合わせで生成する。 したがって、周期表は共有結合を持つ多くの化合物を認識するのに役立つ。 化学を学んでいる現時点では、周期表における化合物の元素の位置からイオン性か共有性かを予測することができますが、これは非常に単純な方法で、多くの興味深い例外を考慮に入れていないことに注意する必要があります。 イオン性化合物と分子性化合物の間には灰色の部分があり、それについては後で詳しく説明します。

例題5：化合物の結合の種類を予測する

次の化合物がイオン性か分子性かを予測せよ。

  1. 食卓塩のヨウ素源として使われる化合物のKI
  2. H2O2, 漂白剤や殺菌剤の過酸化水素
  3. CHCl3, 麻酔薬のクロロホルム
  4. 抗うつ薬のリチウムの原料であるLi2CO3
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  1. カリウム（1族）は金属で、ヨウ素（17族）は非金属である。 KIはイオン性であると予測される。
  2. 水素（第1族）は非金属であり、酸素（第16族）は非金属である；H2O2は分子であると予測される。
  3. 炭素（14族）は非金属、水素（1族）は非金属、塩素（17族）は非金属；CHCl3は分子と予測される。
  4. リチウム（1A族）は金属、炭酸塩は多量原子イオン；Li2CO3はイオンと予測される。

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周期表を使って、次の化合物がイオン性か共有性かを予測しなさい。

  1. SO2
  2. CaF2
  3. N2H4
  4. Al2(SO4)3
表示します。 答え

  1. 分子
  2. イオン性
  3. 分子
  4. イオン性

主要概念とまとめ

金属（特に1族と2族のもの）は、周期表の先行する希ガスと同じ数の電子を失う傾向があります。 このため、正電荷のイオンが形成される。 同様に、非金属（特に16族と17族のもの、および、より少ない程度で15族のもの）は、周期表の次の希ガスと同じ数の電子を原子に与えるために必要な数の電子を獲得することができる。 したがって、非金属はマイナスイオンを形成する傾向がある。 プラスに帯電したイオンは陽イオン、マイナスに帯電したイオンは陰イオンと呼ばれる。 イオンは単原子（原子を1つだけ含む）と多原子（原子を2つ以上含む）がある。

イオンを含む化合物はイオン化合物と呼ばれる。 イオン化合物は一般に金属と非金属から形成される。 イオンを含まず、代わりに分子（単体として振る舞う電荷のない原子のグループ）で固く結合した原子からなる化合物は、共有結合性化合物と呼ばれます。

Exercises

  1. 周期表を使って、次の塩化物がイオン性か共有性かを予想しなさい。 KCl、NCl3、ICl、MgCl2、PCl5、CCl4。
  2. 周期表を使って、次の塩化物がイオン性か共有性かを予想せよ。 SiCl4、PCl3、CaCl2、CsCl、CuCl2、CrCl3。
  3. 次の各化合物について、それがイオン性か共有性かを述べよ。 イオンの場合は、イオンの記号を書きなさい。
    1. NF3
    2. BaO,
    3. (NH4)2CO3
    4. Sr(H2PO4)2
    5. IBr
    6. Na2O
  4. 以下の化合物は、イオン性であるか共有であるか、そしてそれがイオン性の場合は関係イオンを書くか、それぞれ述べてください。
    1. KClO4
    2. MgC2H3O2
    3. H2S
    4. Ag2S
    5. N2Cl4
    6. Co(NO3)2
  5. 次の組のイオンに対して、それぞれが形成するであろう化合物を表す数式を記号で記入しなさい。
    1. Ca2+, S2-
    2. {text{NH}}_{4}^{+}, {text{SO}}_{4}^{2-}
    3. Al3+, Br- (d) Na+, {text{HPO}}_{4}^{2-}
    4. (d) Na+, {text{HPO}}}^{2}

      6. {text{SO}}{{4}^{2-}

      7. {NH}}}{4}{{4}}{{4}^{2 (e) Mg2+, {text{PO}}_{4}^{3-}

  • 次の組のイオンそれぞれについて、それらが作る化合物の式を表す記号を書きなさい。
    1. K+, O2-
    2. {text{NH}}_{4}^{+}, {text{PO}}_{4}^{3-}
    3. Al3+, O2-
    4. Na+.K+、O2-。 {text{CO}}_{3}{}^{2-}
    5. Ba2+, {text{PO}}_{4}{}^{3-}
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    1. イオン性である。 KCl, MgCl2; 共有結合性。 NCl3, ICl, PCl5, CCl4

    3.イオン性：NCl3, ICl, PCl5, CCl4

    3. (a）共有結合性；（b）イオン性、Ba2+、O2-；（c）イオン性、{text{NH}}_{4}^{+}, {text{CO}}_{3}^{2-}；（d）イオン性、Sr2+, {text{H}}_{2}{text{PO}}_{4}^{-}；（e）共有結合性；（f）イオン性、Na+, O2-

    5. (a) CaS; (b) (NH4)2SO4; (c) AlBr3; (d) Na2HPO4; (e) Mg3 (PO4)2

    Glossary

    共有結合：分子の原子の核と原子の間の電子対の間の引力

    共有結合した化合物のこと。 (分子化合物とも) 2つ以上の異なる元素の原子によって形成された分子からなる

    イオン結合: イオン化合物の反対側に帯電したイオン間の静電引力

    イオン化合物: 陽イオンと陰イオンが比率的に結合して電気的に中性な物質となった化合物

    分子化合物。 (共有結合化合物も)2つ以上の異なる元素の原子で形成された分子で構成される

    単原子イオン: 単一の原子からなるイオン

    オキシアニオン: 中心原子が酸素原子と結合した多原子イオン

    複数の原子からなるイオン

    多原子イオン：2つ以上の原子が結合したイオンである。

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