化学と科学はどう違うのか

”科学”という言葉は広い意味では”学問”と同義語として使われる場合がある。社会科学、人文科学、自然科学の学問をを総称して科学と略称する。 しかし、一般には科学という言葉はこの3つの学問の内の自然科学の分野に限定して用いられることの方が多い。自然科学には物理学、数学、地学、生物学、医学、工学などがあり化学もこれらと同列に含まれる。 科学と化学は発音が同じなので特に区別する必要があれば”化（ば）け学”という人もいるが、もちろん正しい言い方ではない。 ちょうど、私立と市立の学校を区別するため”いちりつ”と読んだりするのと同じだ。

化学では何を勉強するのか

化学は単純にいえば”物質”を扱う学問である。物質と言っても何も難しく考える必要はなく、ごく身近に見かける日用品、製品の素材や、 自然に存在する水、空気、金属、鉱石、生物体を構成している諸々の物のことである。 天体や宇宙に存在する物質も対象となる。地学や生物学と違うところは、あくまで化学では生物体や物体を構成している物質そのものに焦点が置かれる。 学問が高度化していくと化学以外の分野の知識も当然必要となってくる。生物化学、物理化学などと呼ばれる新しい学問分野も生まれてくる。

☆　化学というと実験室に薬品棚があり、日常見かけるものとはかけ離れているような気がするが。

化学は物質を扱うと云ったが、その目的には少なくとも二つある。その一つは、既存の物質、例えば天然に存在する空気や鉱石などの組成や性質を探求することであり、 もう一つは、いろいろな物を混ぜ合わせたりして人工的に新しい物質を合成することである。新しい物質を作り出すためには、すでに築きあげられた基礎的な知識を参考にして、 数種の物質を混ぜ合わしたりして実際に確かめなければならない。このことを専門語では”化学反応”の実験をするという。 ところで、日常で見かける物はほとんどが混合物であり、純粋な物質が使われていることはむしろまれである。このような混合物を使って化学反応の実験をして、 たとえ望ましい物ができあがっても、再度同じことを試みてもうまくいかないことがある。化学反応では不純物の混合割合が違っているため別の反応が起こることはよくあることだ。 せっかく思い通りの化学反応に成功しても、その反応の仕組みや原因を考察していくためには、純物質を用いなければかえって複雑となってしまう。 化学実験室に薬品棚があるのは多種類の純物質を保管するためなのだ。 身近にある日用品がどのような物質からできあがっているのかということに興味を持ち始めたら化学がおもしろくなってくるに違いない。 ここで、物質について少し専門的な用語を用いて分類してみると次のようになる。

混合物とは、日常みかけるほとんどの物がそうであるが、化学実験室でも混合物を使うのが普通である。 例えば、食塩水であるが、理想的な食塩水は純粋に精製した食塩（塩化ナトリウム，NaCl ）を純水（蒸留水）に溶かしたものであり、二つの純物質の混合物である。 日常で使われる食塩水との違いは化学実験室ではこの二種類の純物質以外には不純物を含まないことにある。 単体とはたった一種類の元素でできた物質のことをさす。もしここでわかりにくいようであれば読み飛ばしてもらってよい。 化合物とは上の食塩にみられるように二種類以上の元素（この場合 Na と Cl の二種）から成り立っている純物質のことを言う。

☆　化学の歴史は

人類が物質に出会った歴史を振り返ってみよう。太古の人類に限らず人が先ず最初に接する物質は空気でありまた水である。 大地を形成する土砂、岩石類はまず目にした物体であろう。ただし、人が空気の存在に気がついたのはずっと後になってからのことである。 ところで、人類が最初に金属をさがしあてたときの感動は大きかったに違いない。 おそらく金が最初の出合であっただろう。［思うに、人類と金の出合いには神秘的なものを感じる。”猫に小判”という言い方があるように獣にはその魅力を感じさせない。 金への魅力はこの辺にあったのではないだろうか。金は人の心を動揺させる何かをもっている。」金の存在は人類にとって大きな魅力となり多くの人たちが捜し求め続けた。 現在でもそのことが言える。しかし、地球上の金の埋蔵量には限度があるので、一部の人たちは他の鉱石などから金を合成する試みを始めた。 このような試みを錬金術と呼んでいる。結局、錬金術には成功しなかったが、この間に錬金術士らが学習した諸物質の性質などが集大成されて、今日の化学の基礎を築いたといってよい。 往年の錬金術の精神は現代の化学工業にも生きている。 つまり、錬金術は安い物質から貴重な金を生み出すのが目的であるが、化学工業においてもやはり、安い原料、例えば空気、海水、鉱物、原油などからいかにコストを下げて有用な化学製品を作り出すのかが常にその努力目標となるからだ。

☆　化学では元素記号を覚えなければというが、元素と原子の違いとかがわからない

先ず、原子と元素の違いだが、原子は物質を構成している極く小さい粒子のことであり、粒子そのものを指すと考えればよい。 そして、元素は同じあるいはよく似た原子の集合を呼ぶ呼び名である。 例えば、40名のクラスメートの中には田中君、山田君、鈴木さん、高橋さんなどそれぞれの生徒個人の名前がある。 同様に、物質全般を構成する微粒子の世界には100余りのクラスメートから成り立っていると考えてみよう。 構成しているそれぞれは個性をもった原子ということになる。クラスは男子生徒と女子生徒とに分類することができる。 それぞれの原子の性質から、金属と非金属に大きく分類することができる。 この場合、金属的性質をもつ原子を総称して金属元素、あるいはそうでないものを非金属元素などと呼ぶことになる。 どんな物質でも、後で触れるように1個や2個の粒子からなっているのではなく、莫大な数の粒子の集まりである。 同じ水素を例にとってみよう。水素と名付けられた原子はそれぞれが個性をもった粒子であると考えてもよい。 水素には、化学的には全く同じ性質をもっているにもかかわらず、重さ（正確には質量）の違う3種類の存在することが知られている。 これらの原子を総称して水素元素ということになる。H は水素原子、水素元素の両者を意味する共通の記号として用いる。 前者の場合には H は水素原子1個（一般には、同じ水素原子の集合を意味する）を指し、後者の場合には H という記号は元素記号と呼ぶことになる。 元素記号は全部で百余りあるが、すべてを正確に覚える必要はない。ここでは、化学の概略を知るのが目的であるので、扱う元素の種類は極力控えることにする。 物知りになるのが目的であるのなら別であるが、だいいち、世の著名な化学者でさえ百余りの元素のうち知らない（もしくは目にしたことがない）ものの方が多い。

物質と分子

最も身近な物質として水をあげてみる。ここに試験管があって水がいっぱい入っている。通常の大きさの試験管だと約 18 ml 入る。 いま、この水をちょうど半分に分けてみる。すると試験管の中には 9 ml の水が残ることになる。 水が半分になったというだけで試験管の中の物質は何も変わっていないことに注意してもらいたい。 さらに、この水をちょうど半分に分割してみよう。4.5 ml に減ったというだけで中の物質（水）はやはり変化しない。こんなことを何回も繰り返してみよう。 13 回目ぐらいで 1 滴の水くらいになってしまう。実際にはこれ以上分割する事は不可能になるが、仮に可能であるとしてさらに分割を続けてみる。 半滴（?）の水になっても水という物質には違いがなかろう。最初から数えて 79 回目の分割後では 1 個の粒子が残ってくることになる。 ことわっておくが、このような実験は不可能である。なぜ 79 回目であるのかは既知の数値から逆算しただけのことである。 この粒子こそが水を構成している最小の単位である水分子なのである。 もし、80 回目の分割をあえて行うことができるとすれば 80 回目の分割の後にはもはや水という物質ではないものになってしまう。 ここで、いくつかの問題を考えてみよう。

（大きな数字、小さな数字の表し方については 付録 1 を参照）

問：　最初、試験管の中にはいっていた18mlの水の中には水分子はいくつあったのだろうか。

答：　2⁷⁹ 個。…どんな数字なのかちょっと見当がつかないので簡単に考えてみる。 現在の普通の関数電卓なら簡単に計算できる。概数でいえば 6 × 10²³ になる。この 6 × 10²³ 個という数字も見当つかない莫大に大きな数字である。 しかし、化学では常に重要な意味をもつ数字であるのでこの際記憶にいれておこう。 ここで、この数字がいかに莫大なものかを考えるため、非現実的ではあるが具体的な例をあげてみよう。

今、試験管にいっぱいいれた水分子のそれぞれを識別できるように印をつけることができたと仮定する。 そして、この水を海に捨ててみよう。充分に長時間放置した後、つまり、世界中の海水と均一に混ざりあった後、同じ試験管で海水をすくい上げてみる。 すくいあげた試験管いっぱいの海水の中に印のついた水分子がどのくらい含まれてくるだろうか。 感覚的には”まあ、1 〜 2 個の分子が入っていれば”と思うだろうが、世界中の海水の量を単純な概算から計算しても100 〜 1000個の分子をすくい上げることになる。

問：　 水分子1個の重さ（質量）はどのぐらいか

答：　水 18 ml は 18 g なので 18 ÷（6 × 10²³） ＝ 3 × 10^-23 g

問：　水分子が球の形をしているとしたら、大体どれぐらいの大きさだろうか。

答： 球形の水分子がぎっしりと詰まっているものとして計算してみる。この水分子の半径を ｒ とすると 1 個の水分子の体積は 4/3 πr³ となる。 π（パイ）は 3.14 である。 18 ml （＝ 18 cm³）中に 6 × 10²³ 個の水分子があるので 4/3 π r³ × 6 × 10²³ ＝ 18 つまり r³ ＝ 3 × 18 /（4π×6×10²³） 3乗して右辺になるような数字を求めればよいことになるが少し難しいので結果をいえば r ＝ 2 × 10^-8（cm）になる。 近年ナノテクノロジーが発達している。1 ナノメーター ( 1 nm ) は　10^-9 m なので　水分子の大きさは約 0.2 nm になる。 扱っている数字がとてつもなく大きいかあるいは小さいかというだけでいま考えていることは単純な内容だとわかればよい。

原子の構造

あらゆる物質は原子という小さな粒子から構成されている。水という物質を例にとったようにいくつかの原子が集まって分子を構成している場合もある。 水は水分子 2 個の水素原子 H と1 個の酸素原子 O とからできているので H₂O と記す。

水分子モデル

物質について触れたように、水は Ｈ と O の二種類の元素から成り立っているので化合物ということになる。 どんな原子も一定の決まった構造をもっている。図を見ながら考えてみると、原子はこれまで考えてきたようにとても小さい粒子である。 さらにこれを掘り下げてみると原子核とその回りに存在する電子という粒子から成り立っている。 原子核の中にはさらに陽子、中性子と呼ばれる粒子が存在する。これほど小さな世界は想像を絶しており、単純な微粒子として取り扱えない側面もでてくるが、ここでは難しく考えないで単に小さな粒子だと思えばよい。 陽子と中性子の重さは同じであり、電子の重さは千倍から二千倍も軽い。したがって、今後電子の重さを考えないものとする。 電子は、原子核の回りを高速で回っていると考えるのが分かりやすい。

原子のうち最も簡単な水素原子を考えてみる。水素原子の原子核には中性子がなく 1 個の陽子 (+) で原子核をつくっている。その回りを電子 ( e ) が 1 個回っている。 酸素原子は原子核の中に 8 個の陽子 と 8 個の中性子 (n) （合計16個の粒子）があり、その回りを 8 個の電子が回っている。（図参照）

　実際には、原子核の大きさは図では記されないぐらい小さい。また、電子の回っている軌道は単一ではなく広がりを持っている。この広がりが原子の大きさとなる。 ここで再び頭の体操をする。

問: 水素原子、酸素原子それぞれ1個の重さの比は何対何？

答 1：16

図を見てみよう。電子の重さは考えなくてよいので原子核の中に合計で何個の粒子があるのかを知ればよい。 水素には 1 個の陽子だけ、酸素には 8 個の陽子と 8 個の中性子があるので合計で 16 個。したがって、1：16になる。

問: では、水素1個の重さは何 g であるだろうか。（水分子 1 個の重さが 3 × 10^-23 g であったことを振り返ってみよう）

答 1.16 × 10^-24 g

水分子は2個の水素原子と1個の酸素原子とからできている。 すると、この中に陽子および中性子の粒子が合計何個あるかを考えてみよう。 1 個の水素原子には 1 個の陽子 1 個の酸素原子には合計 16 個の陽子、中性子があるので全部で 18 個になる。 水分子1個の重さが 3 × 10^-23gであるので、 3 × 10^-23 g / 18 ＝ 1.16 × 10^-24（g）

1モルの考え方

原子や分子は非常に小さくまた軽いので1個単位でとらえると不便である。 だいいち、天秤で測りとることもできない。小さい量を測る簡単な方法として、同じものをたくさん集めてその測定値を数量で割り算することがある。 紙1枚の厚さは普通の物差しで測るのは無理だけれど何枚か重ねて厚さを求めるような要領である。 いま、天秤で測ることができない水素原子も何個かの集団にしてやれば測れるようになる。 何個集めたらちょうど 1 g になるか考えてみよう。水素原子は最も軽い原子なので、きりのよい 1 g が適当だろう。

　1.16 × 10^-24 × ( ) ＝ 1

　( ) ＝ 6 × 10²³

この 6 × 10²³ という数字を覚えているだろう。実は、この数字はアボガドロ数といって、化学では非常によく使われる数値である。 そして、粒子（原子、分子）のアボガドロ数 個の集まりを 1 モルと呼ぶことにする。水素原子の 1 モルは 1 g になることはわかるだろう。

問 酸素原子 1 モルは 何 g か？ また水（H₂O）1モルは何gだろうか？

答 16g，18g 酸素原子の原子量が １６ 水素は １　を考えると良い。

問 5.4gの水（H₂O）は何モルか？

答 0.3モル

原子量、分子量

水素原子の1モルは1g、酸素原子1モルは 16 g、また水の 1 モルは 18 g であった。このとき、1, 16, 18 の数値だけをとりだし、 それぞれの粒子の原子量、あるいは分子量（この例の場合は水）とよぶ。通常次のように記すことが多い。 H ＝ 1，O ＝ 16，H₂O ＝ 18 ここまでの考え方では何よりも単純を前提にしてきたので、実際には少なからず疑問点が生じてくる。 例えば、原子量とか分子量は必ず整数になるはずだということ（つまり、16.2 などを小数にはならないということ）。 しかし、実際には原子量が整数の値に近いケースが多いけれどもきっちりと整数値にはなっていない。 その理由は、陽子と中性子の重さが同じであり電子の重さは無視するという仮定でしたためでもあるが、 それよりも、実は、自然界に存在する水素原子あるいは酸素原子には重さの違う原子が常に一定の割合で混ざっているが、 便宜上その平均値をもって原子量の値を定めているので整数値からずれることになる。 このへんを詳しく説明するとかえって複雑になるのであえて触れないことにする。 ところで、原子核に存在する陽子の数を原子番号、陽子の数と中性子の数の和を質量数と呼んでいる。 単純にいえば、原子量は質量数と同じ数値になると考えてよいことになる。

化学反応式

化学反応式がでてくる頃から急に難しくなったような錯覚に陥ってしまうことが多い。 化学反応式を暗記するような勉強法は決してしないでほしい。反応式は自分で納得しながら作り上げることが大切だ。 もっとも、幾多の化学反応式をつくる前提には、種々の物質の化学式（ H₂O などのように）を知っていることと、 それぞれの物質の性質を理解することが必要である。前者については、後で合理的に考えていく筋道を追っていくことにする。 後者についても、大まかな考え方について触れるが、それぞれの物質の性質には例外的なケースもよくあるので、 実際にはより深く学習を進めていくことによって修得されるものである。

例えば、水素の気体（化学式は H₂ と記す）を空気中あるいは酸素中（化学式は O₂）で燃やすと水蒸気（水 H₂O ）ができるが、 これは、実験的に確かめられた事実であり、誰が行っても同じ結果が得られる。水素という物質の性質でもある。これを、式で表すと次のようになる。

H₂ ＋ O₂ → H₂O

→ の左の方には燃える前（反応が起こる前）の物質の化学式を書き、 → の右方に燃えた後（反応後）にできる物質を書く。 → の左右に書く物質が2種類以上ある場合には ＋ でつなぐ。反応に関係のない物質は書く必要はないが、何が関係あって何が関係ないのかが最初の頃はよくわからないと思うがしだいに慣れてくるものである。 今、この反応式をこれまで考えてきた分子のモデルで示すと次のようになる。

ここで、よく考えたいことは上の図で、→ 印の左側（反応前）と → 印の右側（反応後）とでは原子の数があっていないことである。 つまり、 1 個の酸素原子が消失していることである。 → 印の左側には水素原子が 2 個、酸素原子が 2 個あるが → 印の右側（水分子ができている）では水素原子が 2 個で酸素原子が 1 個になっている。 大切なことであることだが、化学反応においては何もないところから新しい物質（粒子も同じ）が生まれでたり、 また、いつのまにか分けのわからないまま消失したりすることはない。上で描いた概念図をつじつまを合わせるためには、 次のようなモデルに変更しなくてはならない。

つまり、水素分子が 2 個、酸素分子が 1 個から水分子が 2 個できあがったと想定することなのだ。 なぜなら、最初に考えた”水素が空気中で燃えると水になる”という現象には上の式で示した物質以外は関与していないからである。

2H₂ ＋ O₂ → 2H₂O

以上の反応式から、水素分子が2個、酸素分子が1個から水分子が2個できるということを示していることがわかるであろう。 ところで、以前に触れたように原子、分子は非常に小さく、1 個 2 個と数えるのは不便であり、6 × 10²³ 個の集まりで数えるということを勉強した。 そして、粒子の 6 × 10²³ 個の集まりを 1 モルと呼んだ。そうすれば、

”2 モルの水素と 1 モルの酸素から 2 モルの水ができる”

ということになる。実際には、水素が空気中で燃えるのであるから、酸素の量は大過剰に存在しているわけで、 2 モルの水素が燃えるときに使われる酸素の量が 1 モル必要であり、その結果水が 2 モル生成したのだと考える方がよいかも知れない。

問: 2 g の水素が燃えるには酸素は何 g 必要か、また水は何 g 生成するか。

答 水が18gできる
化学反応式
2H₂ ＋ O₂ → 2H₂O より、
2 モルのH₂と 1 モルのO₂とから 2 モルの H₂O ができる。
1 モルの H₂は 2 gであり、1 モルの O₂は 32 g、1 モルの H₂O は 36 g であることを思い出してみると、
H₂ 4g とO₂ 32g とから H₂O 36g できる
ことになる。この問の答は酸素は16g必要であり、水が18gできる。

ここで、”Ｈ₂ 4 g と0₂ 32g とから H₂O 36g できる”という関係に注目してみよう。 反応前の水素の量 （4g） と使われた酸素の量 （32g） を足し算すると生成した水の量 （36g） と同じになる。 つまり、化学反応により、反応前と反応後では重さ（正確には質量）が変わっていないことである。 これはどんな反応においても成り立つので、質量保存の法則と呼ばれている。

一般に物が燃えると灰になってしまい軽くなってしまうように思われるが 燃える前の物体の重さと消費された酸素の重さの和は、燃えて生じるガス（主として二酸化炭素）と灰の重さの和と同じだということになる。

問 9g の水を電気分解すると水素は何モル生成するか、また、酸素は何 g できるか。

答 電気分解については始めてであるが知っているものとしよう。
この問題はきっちり 9g（約 9 ml ）の水を容器にいれて電気を流すのではなく、ビーカーにいれた水（少量の硫酸あるいは水酸化ナトリウムを添加する。）に直流の電流を流して、 ビーカーの水が 8g 減少したときの気体発生量を求めている。
化学反応式は次のようになる。
2H₂O → 2H₂ ＋ O₂
水 2 モルから水素 2 モルと酸素 1 モルが生成する つまり、36g の水（ 2 モル）から水素 2 モル、酸素 32g（ 1 モル）できる。
9g の水が分解すれば水素 0.5 モル、酸素 8g できる

以上の問の例では数値が単純なので計算式をたてる必要がないが、一般には比例計算をして求める。 また、一般には化学反応式がもっと複雑になってくるかもしれないが要領は同じである。

電子の役割

以前に原子の構造を話した。繰り返してみると、原子は原子核とその回りに存在する電子という粒子から成り立っている。 原子核の中にはさらに陽子、中性子と呼ばれる粒子があり、陽子と中性子の重さは同じであり、電子の重さは千倍から二千倍も軽い。 電子は、原子核の回りを高速で回っている。原子の重さは原子核中の粒子の数によって決まり、 ここまで、電子の存在について考えず、ひたすら重さについてのみ話しを進めてきた。ここから、電子の役割について考えてゆこう。 すでに触れたように、酸素原子は原子核の中に 8 個の陽子と 8 個の中性子（合計 16 個の粒子）があり、その回りを 8 個の電子が回っている。 実は、原子核の回りの電子はでたらめに回っているのではなく、それぞれ決まった軌道があり、その上を規則正しく回っている。

模式的に書けば図のようになり、原子核に近い方からＫ殻、Ｌ殻、Ｍ殻というように Ｋ から始まりアルファベット順に名づけられている。 また、Ｋ 殻には 2 個、Ｌ 殻には 8 個というようにそれぞれの軌道にはいる電子の数は決まっていて、原子核に近い軌道の方から優先的にはいることになる。 ここでは、話しを簡単にしたいので、Ｋ 殻に 2 個、Ｌ 殻に 8 個電子がはいるのだということだけ知っておけばよい。 さらに、知っておきたいのは、これらの軌道の電子は満席になった状態（つまり、Ｋ 殻には 2 個、Ｌ 殻には 8 個詰まった状態）が、安定であるということである。 言いかえれば、各軌道が中途半端にしか詰まっていないのはすべて不安定であると言うことになる。 不安定ということは、通常の環境においては存在できない状態だと考えてよい。例を考えてみよう。 水素原子 水素原子は原子核の回りに 1 個の電子がある。この 1 個の電子は、原子核に最も近い Ｋ 殻にはいる。 Ｋ殻には電子が2個まではいれるので、中途半端にしか詰まっていない。つまり、水素原子は不安定であり、通常の環境下では存在しない。 酸素原子 酸素原子は原子核の回りに8この電子が回っている。このうち、2個の電子はまずＫ殻にはいり、残った6個の電子がＬ殻にはいることになる。Ｋ殻は2個の電子で詰まっているが、Ｌ殻には電子が8個まではいれるのでＬ殻は詰まっていない。酸素原子も不安定であり、やはり通常の環境下では存在しない。 ナトリウム原子 食塩を構成する元素はNaとClであった。ナトリウム原子はNaという元素記号で表す。ナトリウム原子は原子番号が11であり、原子核には11個の陽子（プラスの電荷をもっていたことを思い出そう）があり、その回りを合計同じ数で11個の電子が回っている（すべて原子は陽子の数と電子の数が等しくなっていて電気的に中性になっていたことも思いだそう）。このうち2個はまずＫ殻にはいり、8個はＬ殻にはいる。Ｋ殻およびＬ殻が詰まってしまったので、さらに1個の電子はＭ殻にはいることになる。Ｍ殻に電子1個存在するためナトリウム原子も不安定である。 塩素原子 塩素Clは17番目の元素であり、塩素原子はＣｌで表す。原子核に17個の陽子があり、その回りを合計17個の電子が回っている。そのうち、2個がＫ殻に、8個がＬ殻に、残りの7個の電子がＭ殻にはいる。Ｍ殻が詰まっていないため塩素原子も不安定である。 中途半端にしか詰まっていない軌道の電子を価電子と呼ぶことがある。言い方をかえると価電子をもつ原子はすべて不安定であると言うことができる。このように考えると、ほとんどの原子は不安定であり、存在し得ないことになってしまう。実際、世の中には原子のまゝ存在している物質はむしろ希であり、このような物質こそ希ガスと呼ばれ、天然には幾種類か存在するだけである。例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴンとか呼ばれる気体がこれに属する。希ガスは原子のまま存在する安定な気体で化学反応性がないため不活性気体とも呼ばれる。 それでは、不安定な原子からどのようにして安定な物質を形成するのかを考えてみよう。

原子から分子へ

水素原子はＫ殻に電子が詰まっていないので不安定である。しかし、今二つの水素原子がＫ殻の1個の電子を出し合って計2個の電子がＫ殻にはいるようにすればＫ殻は詰まった状態になり安定になる。これを模式的に示すと次のようになる。 中途半端にしか詰まっていない軌道の電子（最外殻の電子という言い方もする）のことを価電子と呼んだ。価電子を点で示すことにすると、上の模式図は次のようにすっきりとした式で書くことができる。 Ｈ・・Ｈ→Ｈ：Ｈ 一般に、お互いに出し合ってできた電子のペアー（：）を−で表すことが多い。そうすれば、Ｈ：ＨはＨ−Ｈと書くことができる。特に必要がない場合にはＨ−Ｈは単にH₂と記す。H₂は水素分子である。水素の気体は水素原子からできているのではなく、水素分子から成り立っている。これまで述べてきたように水素原子は不安定なので通常の環境下では存在し得ない。 酸素原子はＬ殻に電子が詰まっていないので不安定である。価電子は6個存在する。今、2個の水素原子と1個の酸素原子が次のように水素から1個づつの電子を、酸素原子の6個の価電子のうち2個を出し合うとそれぞれの水素原子の回りには計2個の電子が、また酸素原子の回りには計8個の電子がはいることになり、水素原子側ではＫ殻が詰まった状態、酸素原子側ではＬ殻が詰まった状態になり安定化する。 Ｈ・Ｏ・Ｈ→Ｈ：Ｏ：Ｈ 電子のペアー（：）を−で表すので、Ｈ−Ｏ−Ｈと書くことができる。出し合っていない電子は記す必要がないことが多いので通常Ｈ−Ｏ−Ｈと書くことにする。この場合も特に必要がない場合にはH₂Oと記して水分子を表していることになる。 2個の酸素原子がそれぞれ2個の電子を出し合って2個の酸素原子ともＬ殻の電子が8個になり詰まった状態になることができる。 ：Ｏ：：Ｏ：Ｏ：：Ｏ この場合には出し合っている電子のペアーが2対あるので、Ｏ＝Ｏと書くことになる。単に02と記して酸素分子を表すことになる。 以上のことから、原子から分子を形成してゆく過程を次のように考えると分かりやすい。水素原子はＫ殻に価電子を1個もっているので相手と一本の（− ）で結びつこうとする。また、酸素原子はＬ殻に6個の価電子をもつので電子が8個になるためには相手と合計2本の（−）で結びつかなければならない。ここで、水素には1本の結びつこうとする”手”があり、酸素には2本の”手”がある。結びついた後には手が余らないようにするためにはどうなって結合するのかを考えるわけである。手が余っているということは軌道の電子が詰まっていないことを意味し、不安定となるからである。 もう少し原子の種類を増やして考えてみよう。窒素原子は記号Ｎで表され、原子番号は7である。7個の陽子を含む原子核の回りを合計7個の電子が回っているわけで、そのうちの2個はｋ殻に、残りの5個の電子はＬ殻にあることになる。このＬ殻の5個の電子が価電子となる。Ｌ殻が詰まるためには相手と計3個の”手”で結びつかねばならない。結びつきの数例を図で示す。 炭素原子は記号Ｃで表され、原子番号は6である。同じように考えて、Ｌ殻が詰まるためには相手と計4個の”手”で結びつかねばならない。結びつきの数例を図で示す。 原子からイオンへ 価電子（結合の手）を有する不安定な原子が安定な状態になるには、以上のように相手と電子を出し合って結びつくばかりではなく、一方的に電子を放ってしまったり、電子を受け入れる場合もある。 ナトリウムという原子を例にとって考える。先に触れたように記号はＮａで記し、原子番号は11である。繰り返しになるが、原子核には陽子が11個あり、その回りを回る合計11個の電子のうち2個がＫ殻に、8個がＬ殻にはいり残り1個の電子がＭ殻にはいる。このＭ殻にはいった1個の電子が価電子となりＮａ原子は不安定である。単純に考えよう。この電子がなければ安定になるに違いない。実際、ナトリウムは自然界ではこの1個の電子をすでに失った状態で存在する。図で示すと次のようになる。 ここで、1個電子を失った後の状態を考えてみよう。Na原子の場合には、11個の陽子があり、11個の電子があったので陽子のプラスの数と電子のマイナスの数が等しく全体では電気的に中性になっている。すべて原子は陽子の数と電子の数が同じであり、電気的には中性を保っているということを思い出そう。ところが上の図から容易にわかるように、電子の数が一つ減っており差引プラスが一つ過剰になっている。したがって、このナトリウムはプラスの電荷を帯びているのでNa+と記し、ナトリウムイオンと呼ぶ。 塩素原子Ｃｌの場合には、原子番号は17なので原子核には陽子が17個あり、その回りに17個の電子が回っている。Ｍ殻にはいる電子が7個になる。話を簡単にするため、ここではＭ殻も8個の電子が詰まると安定になると考えよう。もしこのＭ殻にもう一つの電子がはいれば安定になるので、次の図で示すように電子1個過剰の状態となり安定化する。 ナトリウムの場合と同様に考えて、塩素原子はマイナスの電荷を帯びた塩化物イオンCl−という形で自然界には存在する。 一般にプラスの電荷とマイナスの電荷はお互いに引力をおよぼしあうことが知られている。もし、ナトリウムイオンと塩化物イオンが存在すると両者はこの引力でくっつくことになる。原子、分子、またここで新たに考えたイオンとかの粒子は1個、2個ではなく莫大な数でとらえるのが現実の物質をとらえるときの常識であることはすでに話してきた。莫大な数のナトリウムイオンと塩化物イオンがお互いにくっつきあうと次の図のような大きな塊になってゆくだろう。これが塩化ナトリウムの結晶と呼ばれる日常ごく普通にみかける食塩の粒である。食卓で用いる食塩は小さい粒だが上手に成長させてやると手でもてないぐらいの大きな結晶でも作成することができる。 精製した食塩は純物質であり、化合物である（ｐ．参照）。それでは化学式ではどのように表すのであろうか。実質的に考えれば、Na+とCl−が莫大な数で成長してできた結晶構造であるため、Na＋∞Cl−∞と書けばよいようであるが簡略にNaClと記し正式には塩化ナトリウムと呼ばれる。 マグネシウムMgやカルシウムCaは価電子が2個あるので、この2個の価電子を失ってプラス電荷が2個過剰になったイオンつまりマグネシウムイオンMg2+、カルシウムイオンCa2+になる。Mg2+やCa2+がCl−と結びつく場合にはMg2+やCa2+1個に対して2個のCl−が必要となる。したがって、塩化マグネシウムはMgCl2、塩化カルシウムはCaCl2のような化学式で表されることになる。塩化ナトリウムと同じように、もしMg2+とCl−が1対1で結びつけばプラスが1個過剰となりプラスの電気を帯びることになる。イオンなど特別な場合を除きすべて形成された物質は電気的に中性でなければならないと考えておこう。 一般に、◎＋と〇−の組み合わせや◎2＋と○2−の組み合わせの場合には◎○、◎2＋と○−の場合には◎○2、◎＋と○2−の場合には◎2○のような化学式になる。 少し複雑になりまた新しい事柄が多くなってくるが、ここでは多くを知るのではなく以上の原理を知る目的で次の例題を解いて理解を深めておこう。 例題アルミニウムＡｌは価電子が3個あるのでアルミニウムイオンAl3+になる。また、イオンには複数の原子が結びついてイオンになっている場合もある。例えば、プラスのイオンでは窒素1個と4個の水素が結びついてアンモニウムイオンNH4＋、水素1個と酸素1個が結びついて水酸化物イオンOH−、また、硫酸イオンSO42−などのようにマイナスが2個過剰になったイオンもある。 次のプラスイオンとマイナスのイオンがそれぞれ1種類づつ結びついてできる物質の化学式と名前を考えよう。 プラスイオンマイナスイオン ナトリウムイオンNa+塩化物イオンCl− カルシウムイオンCa2+水酸化物イオンOH− アンモニウムイオンNH4＋硫酸イオンSO42− アルミニウムイオンAl3+ Na+とCl−で塩化ナトリウムNaCl、Ca2+とCl−の組み合わせでは塩化カルシウムCaCl2ができることはすでに書いた。アンモニウムイオンNH4＋と塩化物イオンCl−の組み合わせではどうなるだろうか。Na+とCl−の組み合わせと同じように1対1で結びつき、◎○で表される化学式でよいことに気がつくだろう。したがって、NH4Clになる。塩化物イオンとアンモニウムイオンの組み合わせであるから塩化アンモニウムと名付ける。 アンモニウムイオンNH4+と硫酸イオンSO42-の組み合わせではどうだろうか。この場合には◎＋と○2−の組み合わせであるから◎2○型の化学式であることがわかる。NH42SO4と書けば良いのだが、下付きの4と2が区別しづらいので、(NH4)2SO4のように◎に相当する部分を( )で囲むことにする。物質の名称は硫酸アンモニウムと呼ぶ。以下、そのほかの組み合わせでできる化学式とその名称の一部を記すがほかにもあるので確かめてみるのがよい。 AlCl3塩化アルミニウム。Ca(OH)2水酸化カルシウム、Al2(SO4)3硫酸アルミニウム。 物質の三態の話 固体、液体、気体という言い方は知っていると思うがこの三つの状態を三態という。どんな物質でも原子、分子という小さな粒子から成り立っていることは触れた。