化学結合

　基本的に原子は単独では存在しません。単独でも存在できるのは希ガス原子だけです。それ以外の原子は他の原子と結合することで存在しようとします。

　ではなぜ原子は結合しようとするのでしょう？

　それは、閉殻でない原子はとても不安定だからです。したがって、何とかして閉殻となって安定化しようとします。これが結合を誘発するのです。

　ちなみに、希ガスは原子の状態で閉殻という特殊な原子なので、そもそも結合する必要がありません。

　原子の結合方法には３種類あります。<イオン結合・共有結合・金属結合>です。それぞれ結合する手段は異なりますが、すべて閉殻になるためという目的は一致している、ということを頭の中に入れておいてください。

　<イオン結合>とは、陽イオンと陰イオンがクーロン力によって結びつく結合のことです。プラスとマイナスが引き合うというのは直感的にもわかりやすいと思います。

　NaClを例として説明します。

　Naは電子を1つ放出して陽イオンNaとなり、ClはNaからの電子を受け取って陰イオンClとなます。電子の授受関係が成立するわけです。

　<イオン結合>をするには当然イオン化が可能な原子の組み合わせでなくてはなりません。一般的に金属原子は陽イオンになりやすく、非金属原子は陰イオンになりやすいのでこの組み合わせが非常に多い。

　例外として、NH3やH3Oは非金属ですが陽イオンとして扱います。

　また非金属原子であってもイオン化しないB、C、N、Si、Pは<イオン結合>をつくりません。

　さらにHClは<イオン結合>だと勘違いする人がいますが、これは後述しますが<共有結合>です。Hは陽イオンにはならないことに注意してください。よく見かけるHというのは、正確にはオキソニウムH3Oのことです。　

　<共有結合>とは原子同士がお互いの電子を共有して結合することです。<イオン結合>と決定的に違うのは、電子を「授受」するのではなく「共有」するという点です。

　<イオン結合>では互いの原子がイオン化することで閉殻を達成しました。では<共有結合>ではどうやって閉殻を達成するのでしょう？

　最も簡単な例として水素分子H2を挙げましょう。

　同じ原子同士が結合しようとする場合、一方が電子を与えて陽イオンになり、もう一方が電子を受け取って陰イオンになることはできません。どんな原子でも同じ原子が結合するときに<イオン結合>は不可能なのです。

　そこで水素原子同士が結合する場合は、互いの電子を「共有」することで<閉殻>を達成するのです。こうすればどちらの原子も<閉殻>になることができます。

　<共有結合>は<電子式>や<構造式>で表現することが多いので、これについても併せて説明します。

　電子式では各原子の<最外殻電子>を・で表記します。<内殻電子>は表記しないことに注意してください。水素原子は最外殻電子が1つなので上記のようになります。ちなみにこのようにペアになっていない電子を<不対電子>といいます。

　<共有結合>すると、必ずペア電子が発生します。これを<共有電子対>といいます。このように・で結合を表記した場合を電子式といいます。

　また１組の共有電子対は結合を表しているため、：ではなく−で表すと<構造式>になります。共有電子対１組につき結合はひとつです。このときの結合を<単結合>といいます。

　次は塩化水素HClを例にとります。

　水素原子にとってみれば最外殻電子が２つで閉殻(Ｋ殻なので)、塩素原子にとってみれば最外殻電子は８つで閉殻(Ｌ殻なので)となっているのでこのようにして共有結合することがわかります。H2と異なり、HClには3組の非共有電子対が存在します。

　次は酸素分子O2を例にとります。

　酸素原子Oが１つずつ電子を出し合って共有した場合を上図に示しました。

　しかしこれは間違いです。なぜなら閉殻になっていないからです。それぞれの最外殻電子は７つしかないことに気付きましたか？だからこのような結合はしないのです。

　ではどうするのかというとそれぞれ２つずつ電子を出し合って４つの電子を共有すれば閉殻になるんです。電子を２つ以上出し合う場合ではもう電子配置の図では表現できなくなるので、これ以降は電子式と構造式で表します。

　こうすればそれぞれの最外殻電子が８つで閉殻となるので問題はない。共有電子対は２組あるので結合は２本となり、これを<二重結合>といいます。

　以上のように、とにかく各原子が閉殻になるような電子式をつくることで、どのような結合となっているのかが自動的にわかるのです。したがって電子式が性格にかけるということは非常に重要です。

　それでは練習してみましょう。どんなときにも各原子が閉殻になることだけを考えれば電子式を絶対につくることができるはずです。

　(1)窒素分子N2　(2)メタンCH4　(3)二酸化炭素CO2　(4)アンモニアNH3

　実際に自分で手を動かして電子式を書くのが一番の近道です。正解は一番下に載せておきます。

　最後に、非金属原子同士の結合ではほとんどが共有結合です。例外はアンモニウム塩くらいです。

　最後に<金属結合>です。これは非常にシンプルで、１種類の元素からなる金属単体か合金が該当します。<金属結合>なんですから当然金属の結合です。

　金属原子はすべて最外殻電子の数が少ない。１個か２個か多くて３個。しかしこれではイオン結合も共有結合も無理です。金属は陽イオンにしかなり得ないし、共有しても最外殻電子が少なすぎて各原子は閉殻になりません。

　しかし、金属原子同士が結合するための別のアプローチ方法があるのです。

　まず金属原子は自分の最外殻電子を隣接した他の原子に渡します。その瞬間、その隣接した原子はさらに隣接した原子に自分の最外殻電子を渡すと同時に、一番最初の金属原子から電子を受け取るのです。こうすることで他の原子に渡した瞬間は閉殻となることができます。例えるならば、プレゼント交換のようなものです。いっせいのせい！で多くの原子が同時に隣りの原子に電子を渡すのです。

　この状態を別の角度から見ると、規則的に配列した原子核の間をまるで電子が自由に動くかのように見ることもできます。したがって金属結合での電子を<自由電子>と呼びます。