4時限 物質の構成２
部長 「さてさて、次は反応させますか。取り敢えず化学でいう反応で何か知っている事を教えてくれないか？」
１年生「ものが燃えると二酸化炭素が発生するとかですか。」
部長 「そういったものであっている。今回は辞書から引用するが“化学反応 化学変化のことを化学反応ともいうが，おもにその変化の過程を意味する．反応し合う物質を反応物，その結果生ずる物質を生成物という．”となっている。化学さんはHやCやOをブロックよろしく組み替えて遊ぶ反応がメインといっても過言ではないからな。さっそく楽しく反応について話したいが…。また面倒な物質の構成から話さなければならない。」
１年生「また面倒な…、ですか。」
部長 「しかもこれの嫌なことは、理解しやすいが大学の単位まで貰えるレベルまでいくと、結構いい加減というか、もはや嘘なんじゃね。って、言いたくなってくるからたちが悪い。」
副部長「さすがに言い過ぎだよ。意図的に真実が隠されていると言うべきだよ。」
１年生「どっちもどっちですよ。」
部長 「悪口はこれくらいにして本題に入ろう。また適当な引用話ばかりになる事を断っておく。」
１年生「はい。」
部長 「え～と、原子の電子配置からだな。原子が陽子および中性子からなる原子核と電子から構成されると話をしたがその位置関係だな。原子核の周りを電子が運動していると説明したが、この周りを運動していることはよく太陽の周りを惑星が公転していることに例えられる上に似ている。太陽が原子核で電子が惑星な。……公転は分かるよね？」
１年生「大丈夫です。」
部長 「ではここから新しく、“原子中の電子は，原子核の周りの電子殻とよばれるいくつかの軌道に分かれて存在している。電子殻は，原子核に近い内側から順に，K殻・L殻・M殻・N殻…という。”まあ水星とか金星とか地球とかと惑星にも起動があるだろ。そんな感じだ。ただし違うのは同じ軌道に複数いる。無理はあるが水星の軌道に水星が二つあるとかそんな具合だ。衝突しないか？ とかそういった質問は無しにしてくれ。無理やり例えたせいもあるが、私も詳しく知らない。」
副部長「こういった話は相変わらず言い訳が多くなるね。前にも言ったけど、そうなるから、そうなっていた、だよ。」
１年生「はい。」
部長 「話を続けると“各電子殻に収容できる電子の数には限度があり，K殻から順に2個・8個・18個・32個…と決まっている。”……ん？ ああ、そうか。」
副部長「何か疑問でも？」
部長 「18個と32個だったのかと思ってな。そういえば入っていく順番が違うからだと思い出した。最外殻は8個だ。」
副部長「そのことかい。」
部長 「……恥を晒して説明すると原子の最外殻、“最も外側の電子殻に入る電子”を“最外殻電子といい，原子がイオンになったり，互いに結びついたりするときに重要な役割を果たすことが多い。”のことだが、こいつは常に8個までしか収容できないから、軌道に収容できる原子も2個・8個・8個・8個…となっていたかと思っていた。忘却は怖い、およびそれくらい軌道は適当で大丈夫だということで。」
副部長「その代り最外殻電子は8個までしか収容しないことは覚えておくといいよ。」
１年生「…分かりました。」
部長 「ついでに、“この場合，―『この場合』は一つ前の引用な。―最外殻電子を特に価電子という。一般に価電子はその原子の化学的性質を決定し，価電子の数が同じ原子どうしは，よく似た性質を示す。”これがあるから電子の配置が分かると原子数で価電子の数が分かり性質もおおよそ予想できる訳だが……。これに関してはもっと簡単な方法がある。周期表をみれば分かる。そして周期表の見方はまたの機会にする。不甲斐無くてすみません。」
１年生「大丈夫です。」
部長 「せめて簡単に希ガスというものを話す。もう引用もしないで簡単に。希ガスは最外殻電子が8個になる原子、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）、ラドン（Rn）、例外で全電子が2個で、それ故に最外殻電子も2個のネオン（He）がそれに当たる。こいつらの特徴は反応し辛い、他の元素と違って化合物をつくり辛い特徴がある。故に価電子は8ではなく0となる。よし、次だ。面倒な話の次は楽しいイオンの話をしよう。」
１年生「た、楽しいですか…。」
副部長「ドン引きだね。」
部長 「意識格差は仕方がない。まあ楽しい訳を話すと、結構この概念が基礎になって、いろいろな反応、分子構成が分かる。……私の認識が間違っていなければ。」
副部長「いい加減言い訳はしなくていいよ。今度は卑屈すぎる。」
部長 「そうだな。堂々と間違えよう。で、イオンの話しだな。まずは現象から、簡単に話すと塩化銅水溶液、青色液体を硝酸カリウム水溶液で湿らせたろ紙に滴下。そいで電気を流す。すると－極側が青色に、そして仕上げに硝酸銀水溶液を吹きかけると＋極は黒紫色になる。諸々の反応は後で話すとして、まず“この現象は，塩化銅（Ⅱ）水溶液中には，銅が正（＋）の電荷をもつ粒子，塩素が負（－）の電荷をもつ粒子として含まれており，これらの粒子がそれぞれ全体として－極側と＋極側に移動したことを示している。”磁石でも起こるだろ、N極とS極が引かれ合うような。磁力の力だ。」
副部長「この場合は静電気かな。それも冬に起こるバチッではなくて、下敷きで遊ぶようなほうだね。髪が引っ付く遊びをしたことはあるかな。」
１年生「あります。」
副部長「あれも下敷きと髪が＋極側と－極側に分かれて引かれ合って起こる現象だよ。」
部長 「物や事は二種類あると同種で反発して、異種で引かれ合うのは宿命なのかもな。で、今回の粒子の±電荷、“水溶液中などで，物質が正，負の電荷をもつ粒子にそれぞれ分かれる現象を電離といい，正の電荷をもつ粒子を陽イオン，負の電荷をもつ粒子を陰イオンという。”これは、いつも通り名前を付けてみました。だな。」
１年生「いつも通り適当に覚えさせてもらいます。」
部長 「ここからは反応を逐一話していくか。まず前提、“原子は，希ガス原子と同じ安定した電子配置になろうとして，電子を失ったり受け取ったりすることが多い。”次に陽イオン“価電子を1個もつナトリウム原子Naは，価電子を失ってネオン原子Neと同じ電子配置になりやすい。このとき，負電荷をもつ電子を失うので，全体として正電荷をもつナトリウムイオンNa +になる。また，同様にマグネシウム原子Mgは2個の価電子を失ってマグネシウムイオンMg 2+，アルミニウム原子Alは3個の価電子を失ってアルミニウムイオンAl 3+になりやすい。このように，価電子の数が1～3個の原子は，価電子を失って陽イオンになりやすい。このような性質を陽性という。原子が陽イオンになるときは，一般に最外殻の価電子が放出される。”悪いが続けて原文を、“価電子を7個もつ塩素原子Clは，上記とは逆に，電子1個を受け取ってアルゴン原子Arと同じ電子配置になりやすい。このとき，負の電荷をもつ電子を受け取るので，全体として負の電荷をもつ塩化物イオンCl -となる。このように，価電子の数が6～7個の原子は，最外殻電子が8個になるように電子1～2個を受け入れて陰イオンになりやすい。このような性質を陰性という。原子が陰イオンになるときは，最外殻に新たに電子が配置される。”半角空けにしたが+や-は本来元素記号の右上な。」
部長 「さて、また例えますか。原子に含まれる、中心核の周りにいる電子どもは中心に居る奴等よりも不安定な存在なんだ。貴族は中心、スラムは外周区ってな。電子は陽子に比べて質量的にも小さいし。」
副部長「例えが悪いし上手くないよ。」
部長 「まあ、確かに。取り敢えず電子のほうが不安定だと思ってくれ。それで電子が安定になる手段は基本的には最外殻が最大数で寄り集まる事。それが最外殻の電子が8個になる事。といったところまでは大丈夫？」
１年生「はい。ちなみにその８個には理由があるんですか。」
部長 「いや、確か理論的な証明は無かった気がするな。調べてみたら、考えてみたら8個の時安定になっていた。理由は不明。そうだから、だな。これこそ、たぶん。詳しく調べてもなかった。」
副部長「この先オクテット則と呼ばれる、似たようなものが出てくると思うけど、これも経験則だね。」
１年生」「…。」
部長 「octopusは８本脚のタコだ。」
１年生「思い出しました。ギリシア数字ですね。」
副部長「そう、もしかしたら中学高の数学でも出てきたかもしれないけど、理数分野は結構ギリシアの文字や数字を使うね。」
部長 「別に顔文字の為にパソコンやケータイでも変換できる訳ではないんだよ。私にとってωは顔文字より角速度がより使用頻度が高い。」
１年生「角速度ですか…。」
部長 「私の苦手な物理の話はせず、化学に戻ろう。最外殻が8からだな。次にこの8個への成り方。これは簡単で一番楽な方法をとる。即ち、余分があれば切り離し、少なければ補充する。さっきのNaは余分派で最外殻に電子は1個しかいないので切り離し、その内側の8個が最外殻になる。ああ、今更だがこの場合、電子の数は最外殻が重要で数の増減は気にしない。スラムなら増えた方が安心だろうけどな。あ、この点が、例えが上手くない理由か。」
副部長「それを言うなら増えれば食料が問題になるから一概には増えれば良いわけではないよ。だから、そんなに例えが上手くなかったわけではないけど結局は不謹慎ってことで例えが悪い。」
１年生「その話しを広げるお二方まとめて不謹慎ってことで先を続けてください。」
部長 「すみません。次にClは少ない派。最外殻に7個いるから1個補充して8個になる。例にだしたNaとClはどちらも電子に増減が少なくてすむ方法で最外殻を8個にする。互いに7個補充したり、7個切り離したりはしないわけだ。ここまでが成り方だな。」
部長 「次が成った後の話し。ここで前に話した原子は電気的に中性だということを思い出して欲しい。欲をいえばなぜ中性なのかも。」
１年生「同じ電気の大きさのプラスの陽子とマイナスの電子が同じ数含まれるからでしたか？」
部長 「それであっている。ではさっき補充したり切り離したりと電子が増減したな。何が起こる？」
１年生「プラスかマイナスになる……！ それで陽イオン、陰イオンですか。」
部長 「分かってもらえたようだな。中心の陽子の数は変わらないのに周りの電子の数は変わる。おかげで原子の電荷がシーソーのように傾きイオンになる。電子が減ってプラスに偏れば陽イオン。電子が増えてマイナスに偏れば陰イオンに。そしてさっきのイオンへの成り方だが、原子はその原子にとって簡単な方法でイオンになる。つまりどちらに成りやすいか原子ごとに決まっているわけだ。Naは陽イオン、Clは陰イオンってな。シーソーはあらかじめ決まった方向にしか倒れない。」
副部長「本物のシーソーなら欠陥品もいいとろだね。」
部長 「まったくだな。で、欠陥シーソーだが、電荷が傾いているから直流電気を流すと－極側と＋極側にそれぞれ引きつけられて移動するわけだ。これが最初の実験の話な。」
１年生「おお、一気に回収しますね。」
部長 「次は新たに、イオンになるにはそれなりの条件があるって話。条件というよりも制限だな。ある意味当たり前の話しだが、電子を切り離したり補充したりしているわけだが、そこらへんに電子もないのに補充もできないし、勝手に電子をそこらに辺に切り離すことも出来ないからだ。補充はともかく切り離すことは出来そうだが、切り離すと簡易的に言っているだけで、実はもっと面倒くさくてその行為にもエネルギーが必要なんだよ。ちなみに“電子1個を取り去って1価の陽イオンにするために必要な最小のエネルギーをイオン化エネルギーという。”さらに、“一方，原子が最外電子殻に電子1個を受け取って1価の陰イオンになるときに放出されるエネルギーを電子親和力という。”価数は後で話すとして、切り離すにはエネルギーが必要、貰うとエネルギー放出、電子はそこら辺にはいない。では必要な条件の一つは簡単で切り離す奴と補充する奴がペアで存在しないといけない。今まで例で出てきたNaとClとか。まあ気が付いていたと思うけど二つ合わせてNaCl、食塩だな。」
副部長「大抵の場合、陰イオンと陽イオンに分かれるペアは合わせて化合物として存在しているね。」
部長 「次に条件のもう一つ。とはいってもそう簡単には説明し辛いが、適当にいえばきっかけだな。よくあるのが溶解させる。水にとかな。固体なら融解させて液体にする……そもそも液体なら結構イオンが存在している……。まあ説明し辛いな。」
副部長「まとめると。イオンに成るには必ず陽イオンと陰イオンのペアでなる。その物質が特定の状態に置かれている。といったところかな。」
部長 「フォロー、ありがとうございます。取り敢えず話とかないといけないことは、NaClは水に溶解させるとイオンになっていることだな。今まで水に溶けると漠然に教えられてきただろうが、水に溶解するとイオンになる、Na+とCl-に分かれて存在しているという、溶解した後の現象もあるってことだな。付け加えると、別に全てがイオンになるわけではない。確かにイオンになっていた方がNaClという物質は安定だが、だからといって全てはそうなるわけではない。どこにでも朱に交わっても赤くならないものは存在するんだよ。」
副部長「話が難しくなってきたかな。大丈夫？」
１年生「なんとなくは。後半はいつも通りの言い訳ですよね。」
部長 「甘い。今回は後半も重要だったりする。が、それはまだ難しいので中和滴定までいったらな。」
副部長「これ以上話すと泥沼的に話さざる負えなくなるだろうね。ウィキ○ディアとか見ると分かるけど、溶解その他科学で習う現象が今までどれだけ説明されてきていないか、本当に考えるといかに難しいかが分かるよ。」
１年生「そんなに難しいですか？」
部長 「検索推奨ってことで、次の話でこの範囲を締めよう。“原子がイオンになるとき，受け渡した電子の数をイオンの価数といい，価数が1価，2価，3価，…とよぶ。”まあそう呼ぶ。解説の必要なし。次、“イオンは，元素記号の右上に各イオンの価数と電荷の種類（＋，－）を書き添えたイオン式で表される。”H +，Mg 2+，Al 3+とか、Cl -，O 2-とかな。大したことないだろ。このままもう一つ、“イオンには原子1個から生じる単原子イオンの他，原子が2個以上結びついた集まり（原子団）が，全体として電子が不足して陽イオンになったり，全体として電子が余分になって陰イオンになったりした多原子イオンもある。”単原子イオンはさっき示したようなもので、多原子イオンはNH 4+とか、OH -，SO4 2-，PO4 3-とかな。大して解説しなくて大丈夫だな。」
１年生「はい。」
部長 「次にいこう。」
