学習目標
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
通常の化学反応では、各原子の核（したがって元素の識別）は変更されません。 しかし、電子は他の原子から移って原子に加わったり、他の原子に移って失われたり、他の原子と共有されたりすることがあります。 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。 いくつかの化合物ができるとき、原子は電子を獲得または喪失し、イオンと呼ばれる電荷を帯びた粒子を形成する（図1）。 (a）ナトリウム原子（Na）は、陽子と電子の数が等しく（11個）、電荷を帯びていない。 (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）を持っており、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与える。 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、一般に、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得ることができるのです。 17族の原子は1個の電子を獲得して1価の陰イオンを形成し、16族の原子は2個の電子を獲得して2価のイオンを形成する、といった具合になります。 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-イオンを形成する、というように。 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ある。 いくつかの元素は、イオンを形成するときに、イオン電荷の規則的なパターンを示す。
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個のプロトンと10個の電子がある。
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陽子34個、電子36個のイオンの記号と名前を答えなさい。
例2.セレン化物イオンは、陽子34個、電子36個です。 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。
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アルミニウムと炭素は反応してイオン性化合物を形成します。 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。
化合物の中で原子やイオンを結びつけている引力の性質は、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、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る。 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-イオンが、Ca2+イオン1個に対してCl-イオン2個の割合で構成されます
イオン結合によって結合している化合物はイオン性化合物と呼ばれ、イオン性化合物は、イオンが結合していることによって、イオンが結合しています。 周期表から、イオン性の化合物の多くを見分けることができます。 金属が1つ以上の非金属と結合している場合、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 ℃で溶け、1413 ℃で沸騰する。 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）。 しかし、溶けた状態では、イオンが液体中を自由に移動できるため、電気を通すことができる（図3）。 塩化ナトリウムは801℃で溶融し、溶融時に電気を通す。 (credit: modification of work by Mark Blaser and Matt Evans)
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。
Molecular Compounds
多くの化合物は、イオンを含まず、個別の中性分子のみから構成されています。 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学びます。
例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します。
- 食卓塩のヨウ素源として使われる化合物KI
- H2O2, 漂白剤や殺菌剤の過酸化水素
- CHCl3, 麻酔薬のクロロホルム
- 抗うつ剤のリチウムの原料であるLi2CO3
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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。
- SO2
- CaF2
- N2H4
- Al2(SO4)3
主要概念と概要
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性化合物と呼ばれる。 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。
演習
- 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。
- 周期表を用いて、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。
- 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。
- NF3
- BaO,
- (NH4)2CO3
- Sr(H2PO4)2
- IBr
- Na2O
- 以下の化合物について、それぞれの化合物について述べよ。 イオン性か共有性かを明記し、イオン性の場合は関係するイオンの記号を書きなさい。
- KClO4
- MgC2H3O2
- H2S
- Ag2S
- N2Cl4
- Co(NO3)2
Glossary
covalent bond（共有結合）。 分子の原子の核と原子の間の電子の対の間の引力
covalent compound: (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もの
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: 電気的に中性物質をもたらす、陽イオンと陰イオンが比率で結合したもの
分子化合物: (共有結合化合物）2つ以上の異なる元素の原子によって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
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