暗記しないで化学入門

読んだ本の感想。

平山令明著。2000年7月20日 第1刷発行。



<原子>
分子は原子から成っているが、特定の原子同士が結び付いている。原子が結合する力を結合力と呼び、幾つの原子と結合出来るかを「原子価」という言葉で表す。

原子は原子核と電子から出来ており、水素原子には1つの電子があるが、炭素原子には6個の原子があり、電子の数と周期表の原子番号は一致する。原子番号は、各原子が中性の時に持つ電子の数である。

複数の原子がある場合、電子は幾つかのクラスに分けられる。これを高層ビルの部屋割りに喩えると、上階にいくほど部屋数が多くなる。1階をsタイプとすると1部屋しかなく、2階をsタイプとpタイプとすると4部屋(sタイプ1部屋とpタイプ3部屋)、3階をsタイプ、pタイプ、dタイプとすると9部屋(sタイプ1部屋、pタイプ3部屋、dタイプ5部屋)となる。

そして、4階のsタイプ室の料金は3階のdタイプ室より料金が安めに設定されているので、3階のdタイプ室に人が入る前に4階のsタイプの部屋が満室になる。

化学では、部屋という代わりに軌道と呼ぶ。

<電子>
電子は基本的に2つが1対になって安定する。同時に電子は広い範囲に分布する性質も持つ。そのため孤立した電子は別のげんしから電子を連れてきて1対になろうとする。これが結合の仕組みである。

以下のように1部屋に最大で2つの原子が入る。

周期原子記号原子名1s2s2p2p2p
11H1
12He2
23Li21
24Be22
25B221
26C2211
27N22111
28O22211
29F22221
210Ne22222


HeやNeのように全ての電子が対になっている場合、希ガスと呼ばれ、他の原子と化学結合を作らない安定な原子となる。電子はマイナスの電荷を1つ持っているため、原子が中性になるためには原子核には電子数に釣り合うプラスの電荷を持たなくてはならない。

軌道のエネルギーは外側にいくほど高くなっていき(内殻と外殻)、最も外側にある電子殻を最外殻と呼び、最外殻の電子が原子価を決めるために重要なので価電子と呼ぶ。

<多重結合>
複数の価電子の余りあると、二つの原子の間に複数対の電子が共有される事がある。電子は活発な性質を持つために多重結合は化学反応し易い。

化学結合を作る際にはエネルギーが必要で、多量のエネルギーが与えられると、例えば2軌道でs軌道とp軌道の格差が無くなり、4軌道全部が共通の領域になる。その場合をsp3軌道と呼ぶ。

sp3等の混成で出来る結合をσ結合と呼び、p軌道電子のみから出来るπ結合と区別する。有機化合物においては、σ結合は分子の骨格を作る役割を果たし、π結合は自由度の高い電子に対して化学反応性を与える役割を持つ。

<分極>
内殻電子によるマイナス電荷は、対応する原子核のプラス電荷と相殺し合っているので、内殻電子が結合に影響する事はない。しかし、外殻にある電子は動き易いので結合に影響する。

そのため、原子核のプラス電荷が異なる原子が結合した場合、プラスの電子を多く持つ原子側に偏る傾向がある。科学ではこれをδで表す。

例えば、メタン分子では原子核の電荷が+4である炭素原子が電子を引き付け、+1の電荷しかない水素原子が電子を取られるため、炭素原子がマイナスの電荷を帯び、水素原子がプラスの電荷を帯びる。こうした分子を電場に置くと、その影響で整列する。

<金属結合>
各金属原子が並んでいる間を価電子が自由に動く。結果的に原子が電子を共有する事になり、集合して安定な、しかし柔らかい固体を形成する。価電子が自由になる事が結合の条件。

自由に動く電子を自由電子と呼び、金属板の両極にプラスとマイナスの電場をかけると電気が金属板の中を流れる。熱は電子の運動として伝えられ、金属原子は集合していれば自由電子が接着剤として機能するので薄く展ばしたりできる。

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