教養の化学

教養の化学
第11週：2013年12月9日
担当
杉本昭子
復習：化学結合（3）
1. 2原子分子は、構成原子の電気陰性度の違いにより部分的に電
荷の偏りが生じる。
2. 偏りの大きい分子は極性分子といい、水溶性を示す。
3. 偏りの小さい分子は非極性（無極性）分子といい、脂溶性を示す。
4. 電荷の偏りを「分極」といい、分極したものを「双極子」という。
5. 分極の度合い（程度）は「双極子モーメント」として観察される。
6. 共有結合の1つに、配位結合がある。この結合は片方の原子だ
けが２個の電子を供給してつくる結合である。
復習：化学結合（3）
7. 原子同士は、化学結合をつくり安定な化合物（分子）になる。
8. 分子同士の間に働く分子間相互作用（分子間力）は、化学結合
に比べ弱い結合だが、幾つかまとまると強くなる。
9. 水素結合は分子間力の中では一番強い結合であり、O, N, F
等の電気陰性度の大きな原子に結合した水素と、別の電気陰性
度の大きな原子の孤立電子対との間におこる。分子間の距離と
方向が規定されている。
10. 電荷－電荷相互作用は、極性分子間、極性分子と無極性分子
間、無極性分子間でおこる。無極性分子間力は分散力、ファン
デルワールス力ともいう。電荷－電荷相互作用は、分子同士が
非常に接近した時に起こる。
演習の解答と解説
1. 以下の分子において、線で示した結合の双極子の方向を→で
示せ。（1Ｘ６＝6点）
Ｈ-ＣｌＨ-Ｆ
Ｈ-Ｃｌ
2.1
3.0
Ｈ3Ｃ-Ｃ
ｌ
2.5
3.0
ＬｉＦ
Ｈ3Ｃ-Ｃ
ｌ
Ｈ-Ｆ
2.1
4.0
ＨＯ-Ｂ
ｒ
3.5
2.8
ＨＯ-Ｂ
ｒ
Ｂｒ-Ｃ
ｌ
Ｌｉ1.0Ｆ 4.0
Ｂｒ-Ｃ
ｌ
2.8
3.0
演習の解答と解説
ポイント：電気陰性度の細かい数字は覚える必要はないが、周期
表における傾向覚えておくと便利
電気陰性度の比較
Ｆ（最大）>Ｏ＞Ｎ＞Ｃ
＞Ｈ
希ガス類は除く
演習の解答と解説
2. 次の分子の結合が共有結合の場合はＣ,イオン結合の場合
は
I で示せ。（2Ｘ7＝14点）
a: ＨＣｌ
b: Ｃ
ｃ: Ｎａ2 d: ＮＨ3
（気体）
Ｏ2 Ｉ
Ｏ
g: Ａｌ2
f:
e: Ｏ2
2
Ｏ3
a: Ｈ
Ｃｌ
H Cl
H Cl
b: Ｃ
Ｏ2
O
C
O C O
共有結合
共有結合
C
O
C
演習の解答と解説
ｃ:
Ｏ
Ｎａ2
d:
3
[Na]2+ [ O ]2–
H N H
イオン結合
H
Ｉ
e:
ＮＨ
C
Ｏ2
O
C
O
共有結合
O O
H N
H
共有結合
H
演習の解答と解説
f:
Ｉ2
I
C
I
共有結合
I
I
g: Ａｌ2
Ｏ3
[Al]23+ [ O ]32–
Ｉ
イオン結合
ポイント：金属原子が含まれる結合は，ほとんどがイオン結合．
分子の極性
共有結合における電荷の偏りと分子の極
性
電気陰性度は、結合をつくった時電子をその原子にどれだけ引き
付けるかを示した値。周期表で傾向がわかる。
電気陰性度の差（ΔEN= electronegativity difference）から結合の
性質を決定できる。
EN = 高い電気陰性度値 –低い電気陰性度値
例
NBr3: EN = 3.0 – 2.8 = 0.2（N-Brの3つの結合に対して）
一般に、EN が 0.5以下 =共有結合性(covalent)
0.5 ～1.7 ＝極性 (polar covalent)
1.7以上＝イオン結合性(ionic)
補足
構成粒子による物
質の分類と特徴
化学結合（4）
化学量論（１）
化学結合のまとめ
原子量・分子量・式量・
アボガドロ数・物質量
第11週講義
化学結合（４）
1.
2.
分子の極性は分子間力を生む。分子間力
の違いは、物質の物理的性質に影響する。
化学結合は、物質の性質に大きな影響を
与えている。
分子間力と物理的性質

分子の組成と形はその物質の状態に関係する。
H H H
H C C C H
H H H



H
H O H
H C C C H
H H H
これらの物質は一見非常に似ている。
左の分子は対称形であり、右の分子は非対称形であ
る。
右の分子同士には水素結合が生じる。
分子間力

分子の組成と形はその物質の状態に関係する。
H
H O H
H C C C H
H H H
H H H
H C C C H
H H H
propane
気体
液体
2-propanol
化学結合と物理的性質

結合のタイプは物質の性質に大きな影響を与える

物理的性質とは・・・
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
室温での状態
融点と沸点
表面の光沢
展性/脆弱性
水に対する溶解度
硬度
揮発性
など
化学結合と物理的性質


イオン結合による物質は普通・・・・・
1)
室温で固体
2)
融点と沸点は高い
3)
揮発しにくい
4)
硬い表面（傷がつきにくい）
5)
固体片は砕けやすい
6)
溶融するか水に溶けていなければ伝導性はない
これらをイオン結合物質と呼ぶ
化学結合と物理的性質


金属結合による物質は普通・・・・・
1)
室温で固体
2)
融点/沸点は中程度あるいは高い
3)
揮発しにくい
4)
柔軟～硬い表面（傷のつきやすさ）
5)
展性（打ち延ばす）がある
6)
電気伝導性が優れている（あらゆる状態において）
これらを金属結合物質と呼ぶ
結合と物理的性質


共有結合による物質は普通・・・・・
1)
室温で液体あるいは気体
2)
融点と沸点は低い
3)
揮発しやすい
4)
表面が柔らかい（傷がつきやすい）
5)
固体片は壊れやすい
6)
電気伝導性はない
これらを共有結合物質（＝分子）と呼ぶ
化学結合と物理的性質


共有結合による物質の中で一般的な共有結合物質の性質と
一致しない少数グループがある。
これらはネットワーク物質（ network substances ）とも
言われ、以下のような共通の性質を持つ：
1) 融点・沸点は高い．
2) 表面が硬い.
3) 電気伝導性はない.
4) 脆い.
5) 揮発しにくい.
共有結合の結晶と呼ばれている。教科書ｐ65参照）
化学結合と物理的性質


共有結合結晶と分子の結晶はともに共有結合を形
成している。
共有結合結晶の例は覚えておくこと
diamond
(C)
graphite
(C)
Quartz：石英
( SiO2 )
炭素の他、IV族（14族）のSi, Ge等４価の原子に共有結合結晶が見られる。
教科書ｐ65参照
結合と物理的性質
共有結合結晶：多数の原子が次々に共有結合してできた結晶
ダイヤモンド
Diamond( C )
強い共有結合（sp3）でできた結晶。面心立方格子の立体配置をとる赤色の
原子と単位格子の中にまるまる含まれる４個の青色原子から構成されてい
る。
結合と物理的性質
共有結合結晶：多数の原子が次々に共有結合してできた結晶
黒鉛（グラファイト：
graphite）( C )
亀の甲状の層状物質で層毎の面内は、強い共有結合（sp2的）で炭素間が
繋がっているが、層と層の間（面間）は、弱いファンデルワールス力で結合し
ている。それゆえ層状にはがれる。電子状態は、半金属的である。
結合と物理的性質

イオン結合による固体のイオン物質： ionic substance.
+
+
+
+

+
+
+

+
+
+
+
+
この固体は、プラスの金属イオンとマイナスの非金属イオン
で構成されている。
グレイで表わしている部分に電子が多く存在している。
結合と物理的性質

固体の金属物質：metallic substance.
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +


この固体は電子の海の中にプラスの金属イオンが存在して
いる状態。
グレイで表わしている部分に電子が多く存在している。
結合と物理的性質

固体のネットワーク物質（共有結合結晶）： network
substance.

この固体は非金属原子で構成されている。

グレイで表わしている部分に電子が多く存在している。
結合と物理的性質



固体の共有結合物質（分子結晶）： covalent
substance.
この固体は非金属原子による分子と呼ばれる小さなグルー
プで構成されている。
グレイで表わしている部分に電子が多く存在している。
結合と物理的性質



共有結合部はグレーで示してある。 covalent bonding
– 1対の価電子を共有している。
では隣同士の分子をどうやってつなぎとめているのか?
弱い分子間力（ファンデルワールス力、あるいは水素結合）!
化学結合（4）まとめ
1. イオン結合
構成単位は原子
電荷をもった原子同士の静電的引力（クーロン力）で結合
2. 共有結合
構成単位は分子
原子間の軌道の重なりにより分子軌道をつくることで結合
結合する原子の電気陰性度により極性、非極性が生じる
3. 金属結合
構成単位は原子
3次元に積み重なった原子の最外殻電子が自由電子として動き周
り、金属原子の陽イオンと自由電子ガクーロン力で引き合い結合
4. 分子間結合
水素結合，ファンデルワールス力
5. 原子同士が結合する方法（イオン結合、金属結合、共有結合）は３
種で、この結合様式は、結合した物質の物理的性質となって表れる
化学結合（4）まとめ
6. イオン結合を形成する個体は“イオン結晶”と呼ばれ、融点、沸点
は高い。水に溶けていなければ電気伝導性はない。
7. 金属結合による物質は、一般に“金属”と呼ばれ、金属特有の物理
的性質（展性・延性、電気・熱伝導性など）を示す。
8. 共有結合による個体（結晶）は“分子結晶”と“共有結合結晶”の
２種類がある。
9. “分子結晶”は小さな分子の集団で、結晶を形成するために分子間
力が働いている。極性分子の分子間力は比較的強く、水素結合と呼
ばれ、無極性分子の分子間力はファンデルワールス力と呼ばれ弱い。
10. “共有結合結晶”は共有結合を繰り返し大きな塊を形成する物質。
代表例はダイヤモンド、黒鉛（グラファイト）、二酸化ケイ素。
11. 分子内力と分子間力の強さは、一般に次のように考えられている。
共有結合＞イオン結合＞金属結合≫水素結合＞分子間力
化学量論（1）
•
•
•
•
•
原子量
分子量
式量
アボガドロ数
物質量
原子量・分子量・式量物質量
原子の質量と相対質量
各原子は決まった質量をもつ。
陽子：1.6726ｘ10-27Kg
中性子：1.6749ｘ10-27Kg
このままだとあまりに値が小さいので扱いにくい。
質量数12の炭素原子12Cの質量を12としたときの相
対質量を使うことにする。
原子量・分子量・式量物質量
相対質量
炭素原子12C1個の質量を12
とすると
酸素原子１６O 1個の相対質
量は・・・・
Χ＝
2.65602X10-23ｇX12
1.99265X10-23ｇ
＝15.99491
相対値だから単位は
無い！
原子量・分子量・式量物質量
原子量
多くの原子には同位体が存在して、混在しているはず！
同位体の存在をあらかじめ加味した相対質量を原子量と
すると便利である。
実際に原子量を計算してみよう！
原子量・分子量・式量物質量



ニッケル原子 (Ni) 5個の同位体を持つ.
Isotope
Mass Number
Mass (amu)
Ni-58
Ni-60
Ni-61
Ni-62
58
60
61
62
57.93535
59.93079
60.93106
61.92835
Ni-64
64
63.92797
周期表でニッケルの原子量を見てください
58.69
原子量は________.
どのようにしてこの値を出したのでしょうか？
原子量・分子量・式量物質量

周期表記載の原子量は各元素の同位体を含めた平
均原子量で表されている.
原子量・分子量・式量物質量



ニッケルの原子量はニッケルの5個の同位体の重み
付け平均値である.
Isotope
Mass Number
Mass (amu)
Ni-58
Ni-60
Ni-61
Ni-62
Ni-64
58
60
61
62
64
57.93535
59.93079
60.93106
61.92835
63.92797
どのように重みをつけて平均化しているのか?
ふつうの平均と違う?
原子量・分子量・式量物質量
普通の平均化では、各値の総和を同位体の数で割
る・・・・・・

57.93535
59.93079
60.93106
61.92835
+ 63.92797
304.65352
304.65352 ÷ 5
=
60.93070
しかしこれではニッケルの原子量
(58.69)に一致しない.

atomic mass
原子量・分子量・式量物質量


通常の平均化ではニッケルの原子量にならない.
個々の同位体の原子がどの位の割合で天然に存在
しているかで、その原子量に重み付けを行っている.
Isotope
Mass
Number
Mass
(amu)
Abundance
Percent (%)
Ni-58
Ni-60
58
60
57.93535
59.93079
68.077
26.223
Ni-61
61
60.93106
1.140
Ni-62
Ni-64
62
64
61.92835
63.92797
3.634
0.926
原子量・分子量・式量物質量
(mass)
x
(% ÷ 100)
57.93535 x 0.68077
59.93079 x 0.26223
60.93106 x 0.01140
61.92835 x 0.03634
63.92797 x 0.00926
=
= 39.441
= 15.716
= 0.695
= 2.250
= + 0.592
58.694
このように、各同位体の相対質量に天然存在比をか
けた値の総和が原子量（58.69）になる。
原子量 (58.69)は5つの同位体に等しく与えられた値
である。
原子量・分子量・式量物質量


注意する点：ニッケルの原子, 58.69 amu, は天然存
在比の最も高い同位体の原子量に近いこと
Isotope
Mass
Number
Mass
(amu)
Abundance
Percent (%)
Ni-58
Ni-60
Ni-61
Ni-62
Ni-64
58
60
61
62
64
57.93535
59.93079
60.93106
61.92835
63.92797
68.077
26.223
1.140
3.634
0.926
原子量というのは.あくまでも平均値であること！
原子量・分子量・式量物質量
1)
ここに2個の塩素原子があります: Cl-35 と
Cl-37. 原子量を計算せよ.
Isotope
Mass
Number
Mass
(amu)
Abundance
Percent (%)
Cl-35
35
34.97
76
Cl-37
37
36.97
24
34.97 x 0.76 = 26.58
36.97 x 0.24 = + 8.87
35.45

注目！原子量は35に近いということ.
原子量・分子量・式量物質量
2)
炭素について: C-12 と C-13.
計算せよ.
炭素の原子量を
Isotope
Mass
Number
Mass
(amu)
Abundance
Percent (%)
C-12
C-13
12
13
12.000...
13.003
98.9
1.1
12.000 x 0.989 = 11.868
13.003 x 0.011 = + 0.143
12.011

注目！炭素の原子量は12に近い.
原子量・分子量・式量物質量
分子量
原子量の場合と同様、分子の質量の比較でも、12Ｃの質量が
基準とされる。分子式に基づく、構成元素の原子量の総和が
用いられ、これを分子量という。
ＣＯ2の分子量
＝（Ｃの原子量）+（Ｏの原子量＊）Ｘ2
＝12+16＊Ｘ2＝44
エタノールの分子量を求めよ
分子式：Ｃ2Ｈ6Ｏ
分子量：12Ｘ2+16+1Ｘ6＝46
＊概数
原子量・分子量・式量物質量
式量
組成式で表わされる物質（イオン結合物質や金属）では、組
成式に基づいて、構成元素の原子量の総和が用いられ、こ
れを式量という。
ＭｇＣｌ2の式量
＝（Ｍｇの原子量＊）+（Ｃｌの原子量＊）Ｘ2
＝24+35.5＊Ｘ2＝95
硫酸イオンの式量を求めよ
組成式：ＳＯ42式量：32+16Ｘ4＝96
＊概数
原子量・分子量・式量物質量
ざっと復習！周期表の原子量．
原子量はどのような意味をもつのか?
例えば炭素原子、原子量は 12 (原子番号は 6).
6 陽子、6中性子.
陽子と中性子はほぼ同じ質量を持つ. それで炭素は
12 u (atomic mass units)の質量となる.
それでは炭素原子の実際の重さは?
答え: 約 2 x 10-23 grams (陽子と中性子はそれぞれ約 1.7
x10-24 grams ∴ 1.7 x10-24 x12)
二つの問題点
原子量は簡単にグラムに変換できない
原子の重さは測れない (あまりにも小さいため)
物質量：モル
物質量(mole)の概念が登場する背景
1. 原子は陽子数の違いによって区別されている。（周期表の順）
2. 陽子、電子、中性子の各1個の重さは決まってる。
3. 原子の質量に関係するのは、陽子と中性子で、1個の重さに対
応する数を掛けた総和である。
例
12Ｃ
陽子6個
1.6726ｘ10-24Ｘ6
1.6749ｘ10-24Ｘ6
1.99265ｘ10-23ｇ
中性子6個
4. 取扱いやすくするため、基準値としてこの12Ｃの質量を12.00000
とし、各々の原子の同位体の存在比を加味した、相対質量を
考案した。これが原子量である。（周期表に記載）
物質量：モル
5. 原子の重さは、あまりにも数値が小さいために実測できない。
6. 反応式は関与する粒子（原子・分子・イオン）の個数の比を示
す。
物質量(mole)の概念の登場
1. 化学で扱う原子・分子・イオンは全て粒子と考える。
2. 化学では、これらの粒子の量を測る場合「個数」で表した方が便
利である。
3. そこで炭素12Ｃ12ｇに含まれる原子数（原子の数）を基準にする。
12ｇ
12Ｃ原子1個の質量
＝
12ｇ
1.99265
ｘ10-23ｇ
アボガドロ定数
＝ 6.022 ｘ 1023
6.022個ｘ1023の粒子＝1モル(mol)
個
物質量：モル
アボガドロ定数が考えだされた理由
質量（上皿天秤でいつでも測れる）と上手く結び付く個数
を見つけると大変便利
原子の中で一番軽い水素原子を例に考えた場合
水素原子１個の質量は、
0.00000000000000000000000167ｇ
この水素原子を集めてちょうど1ｇにすると
１÷ 0.00000000000000000000000167≒
600000000000000000000000個（＝6.0Ｘ1023個）
集めればよい。
他の原子の質量は水素原子の質量の何倍であるかが分
かっているから、 6.0Ｘ1023個集めれば質量が分かる。
物質量：モル
物質量（Mole）
6.022個ｘ1023の粒子＝1モル(mol)
アボガドロ定数=6.022x1023/mol
どの物質でも原子量をgで表した量に等しい量には、その物質の原
子が6.022x1023個が含まれる。
したがって、1 g のH, 12 gの C, 23 g のNa は全て 6.02 x 1023 atoms
であるから全て1モルである。
ﾓﾙの単位で表わされる粒子（原子、分子、イオン）の集団
を物質量という。
グルコース (C12H22O11) & H2O
Same
体積?
質量?
ﾓﾙ数?
1 gram each
1 mol each
No, 密度が異なる No, サイズが異な
る
Yes,同じグラム数. No, 異なる質量を
持つ
Yes.
No, 異なるﾓﾙ数を
持つ
No, 分子量が異な Yes (6.02x1023)
分子の数?
る
個
No, グルコース：
原子の数?
No
水 (45:3)
原子量・分子量・式量物質量
ﾓﾙ質量
1モルの質量をﾓﾙ質量という。
例えば 1 mol Li = 6.94 g Li・・・・・・・・ 6.94 g/mol
計算してみましょう！ (小数点以下2桁)
CaCl2
110.98 g/mol (Cax1, Clx2)
(NH4)2CO3 96.11 g/mol (Nx2, Hx8, Cx1, Ox3)
O2
32.00 g/mol (Ox2)
Pb3(PO4)2 811.54 g/mol (Pbx3, Px2, Ox8)
C6H12O6 180.18 g/mol (Cx6, Hx12, Ox6)
演習
1. 1円硬貨はアルミニウム製で、1枚の質量は1.0ｇである。この
硬貨1枚には、何個の原子が含まれるか。（ただしアルミニウ
ムの原子量を27.0とする。）
2. 塩化マグネシウムの57ｇの物質量を答えなさい。また、これ
に含まれる塩化物イオンＣｌ-は何個か（マグネシウムの原子
量は24.0,塩素の原子量を35.5とする。）
註：アボガドロ数は6.0Ｘ1023とする。
塩化マグネシウムの組成式に注意！

Download Report