化学(1)Ｂ［結晶と結合］教えて下さい

質問

問題集の問題
次の物質の結晶(個体)の状態における結合の種類および働く力を答えよ。
(1)CaO　(2)HF　(3)SiO　(4)Ar　(5)NH4Cl　(6)Al　(7)CsCl　(8)SiO2　(9)CO2　(10)H2O　

問題集の解答
(1)イオン結合(2)共有結合，水素結合，分子間力　(3)共有結合　(4)分子間力　(5)イオン結合，共有結合，配位結合　(6)金属結合　(7)イオン結合　(8)分子間力，共有結合　(9)水素結合，共有結合　(10)イオン結合，共有結合，配位結合

結晶・結合の種類はどのように見分けるのですか。　周期表を見ればわかることなんですか。

化学がこのあたりからわからなくなっているので、独学で勉強しなおしています。
よろしくお願いいたします。

回答No.5

dragon-2 · ベストアンサー

(2)イオン結合は、金属元素と非金属元素
　　の回答で第２周期では窒素を境目に、窒素＝非金属、と金属との結合はイオン結合と共有結合の中間となります。酸素との化合：酸化物＝酸化物イオンとの化合（ただし相手は金属：非金属の酸化物は共有結合）はイオン結合。炭化物＝共有結合性物質。です。
　次は極性分子について、です。電気陰性度（電子を引きつける度合い）の違いによります。２原子分子では電気陰性度の大きい元素の方に共有電子対が引きつけられますから、例えばＨＣｌではＣｌが電気陰性度大なので共有電子対が引きつけられ、Ｃｌ側が「－」にＨ側が「＋」に電荷の偏りを生じます。だから、２原子分子で同じ元素同士の結合以外は極性分子となります。
　立体モデルでは、その対象原子を中心とした正四面体を考えて下さい。中心に対象原子、正四面体の頂点に結合する原子を考えます。メタンＣＨ４では、中心が炭素原子、頂点の４つが水素ですから全体的に電荷の偏りが無いから無極性分子です。アンモニアＮＨ３は、窒素原子が中心で水素原子が３頂点を占め、あとの１頂点が非共有電子対となります。だから、極性分子。水Ｈ２Ｏは同様に酸素原子が中心、２個の水素原子が２頂点、あとの２頂点は非共有電子対が占めます。だから、立体配置により極性分子。この非共有電子対を利用して、例えば、水素イオンが結合してアンモニウムイオンＮＨ４＋やオキソニウムイオンＨ３Ｏ＋ができる結合を配位結合といいます。
　二酸化炭素は、Ｏ＝Ｃ＝Ｏ　で示されるように、共有電子対がＯ－Ｃ間で２対です。（２重結合：ダブルボンドといいます。）の結果中心の炭素原子には非共有電子対が存在しません。このときは分子は直線構造をとりますから、分子全体で電子の偏りが無いので無極性分子となります。同様に考えて、エチレンやアセチレンも無極性分子となります。

回答No.4

dragon-2

(1)金属結合は、　金属元素と金属元素
たいていそうですが。ふつうは同じ金属同士です。異金属だと、合金や固溶体になります。が金属結合と考えてもよいでしょう。
(2)イオン結合は、金属元素と非金属元素
　これも、一般的にはＯＫ。ただし、金属と非金属の中間物質、ＳｉやＧｅなどの半導体につかわれるものはちょっと違う。共有結合するものもある。
(3)共有結合は、　非金属元素と非金属元素
　これも、一般的にＯＫ。
なんでしょうか？
配位結合とは？共有結合は原子や原子団が電子を出し合い持ち合う＝共有電子対の形成による結合なんですが、配位結合は、ある原子団や、原子、イオンなどの持つ非共有電子対を結合に使用し、一方は電子を出さないのです。
　非共有電子対の存在は分子の形にも影響します。

回答No.3

rei00

結合の種類については dragon-2 さんの詳しい説明がありますので，「結晶の種類」と「結合の種類」の関係について。

結晶には，イオン結晶，共有結晶，金属の結晶，分子結晶，があります。

イオン結晶：
陽イオンと陰イオンを構成粒子とするもの。塩化ナトリウム等。イオン結合からなる。

共有結晶：
構成粒子がすべて共有結合で結ばれているもの。ダイヤモンドや二酸化ケイ素 (SiO2) 等。共有結合からなる。

金属の結晶：
金属原子の陽イオンが金属結合によって規則正しく配列した結晶。金属結合からなる。

分子結晶：
分子が規則正しく配列してできた結晶。二酸化炭素 (CO2)，ヨウ素 (I2)，ナフタレン等。また，希ガスや塩素 (Cl2) 等は常温では気体だが低温では分子結晶になる。分子間力からなる。また，分子結晶の中には，水のように分子間に水素結合が形成されているものもある。

次のペ－ジも参考になると思います。

Cherun's room（ http://hiroshima.cool.ne.jp/cherun/ ）
このペ－ジの「No.05_結合の種類」と「No.06_結晶の種類」

楽しい高校化学　Verchal Chemical World（ http://www.yamamura.ac.jp/chemistry/index.html ）
ここの「物質の構成」のペ－ジの第８－１２章

ところで，この「問題集の解答」って何かおかしくないですか。
(9) CO2 が「水素結合」？　水素がないのに。
(10) H2O が「イオン結合，配位結合」？　結晶状態（固体）で水がイオン化している？

それとも，私が間違っているのか？最近はこうなのか？
dragon-2 先生いかがでしょうか。

回答No.2

dragon-2

原子個々の性質に対しての一般的内容として答えます。
　元素の周期表を見て下さい。周期表は縦の列は同じような性質をもつ物質が並んでいます。これを同族原子といい、価電子数が同じなのです。ただし、遷移元素はのぞきます。ここで、価電子とは、一般に一番外の電子殻に存在する電子のことです。電子の入る軌道を電子殻といいますが、これは内側よりＫ（２）、Ｌ（８）、Ｍ（１８）、Ｎ（３２）・・・となっています。（　）内数は電子の最大数。つまり、水素は電子１個がＫ電子殻に存在で価電子が１個、ヘリウムは電子２個がＫ電子殻に存在し、いっぱいとなるので、価電子数を０とする。リチウムは電子３個がＫ電子殻に２個Ｌ電子殻に１個となり価電子数は１となります。このようにして、内側から順に、（本当はエネルギー準位が低いところから）電子が埋まっていきます。元素番号９のフッ素は価電子数が７、次のネオンはＬ殻もいっぱいで、価電子数を０とします。この価電子が原子同士のつながり＝結合に関係します。
　さらに、第１８族（希ガス元素）は不活性＝安定なものなのです。つまり、この電子配置をとると、物質は安定します。ので、各元素は電子のやりとりをして、希ガス型電子配置をとろうとします。第１族や第２族は電子を放出して、陽イオンになりやすいのです。
　（例）Ｎａ→Ｎａ＋　＋　ｅ－
　　　　ナトリウムは価電子１個を放出して、安定なネオンと同一電子配置のナト　　　リウムイオンになりやすい。
第１６族や第１７族の元素は電子を受け取って陰イオンになりやすいのです。
　（例）Ｃｌ　＋　ｅ－　→Ｃｌ－
　　　　塩素は電子１個を受け取り、安定なアルゴンと同一電子配置の塩化物イオ　　　ンになりやすい。
と、周期表の両端は分かりましたか？したがって、この、陽イオンと陰イオンが結合するときはイオン結合性の物質となります。
　周期表の内側の元素はイオンになるより、電子をお互いに持ち合って結合する共有結合となりやすいのです。
　金属は自由電子をもつ、特有の金属結合（金属結合の結晶）となります。
あとは、その物質は分子が存在するかによります。共有結合物質は巨大結晶をつくらないかぎり、一般に分子が存在します。（水や二酸化炭素など）これが結晶をつくるときは、分子間力によります。水やフッ化水素のように極性が強い分子では、その分子内に偏在した電荷によって「＋」と「－」が引き合い結合する「水素結合」があります。なお、希ガス元素は反応性が低いので、原子１個で分子となります。（単元子分子といいます。）
　また、共有結合の結晶にはダイヤモンドや石英（ＳｉＯ２）などがあります。これは、個々に覚えなくてはしょうがないですね。
　教科書どうりの説明で説明になっていないかもしれませんが、もしかして、化学結合の種類と結晶の種類がこんがらがっているのではありませんか。

お礼

ありがとうございます。

(1)金属結合は、　金属元素と金属元素
(2)イオン結合は、金属元素と非金属元素
(3)共有結合は、　非金属元素と非金属元素
なんでしょうか？
配位結合とは？共有結合との違いは何ですか。

回答No.1

ryumu

すべてを説明するのは大変なので、キーワードを・・・

結合の判別は原子の「電気陰性度（電子の引きつけやすさの度合い）」により決まります。電気陰性度は、一般に周期表の左下から右上に向かって大きくなり、フッ素が最強です。
逆に電気的に陽性な元素、すなわち「イオン化エネルギー」の比較的低い元素は金属として存在しますが、その原子の結合を金属結合といいます。

少し専門的な話・・・

基本的に化学結合は、正電荷の原子核と負電荷の電子との間の静電引力と、不確定性原理による効果により生じます。

単純な例で言うと、距離が離れた位置に原子核Ｎ１、Ｎ２があり（ともに正電荷）、Ｎ１に負電荷の電子ｅが引きつけられているとします。

　　Ｎ１-ｅ　　　　　　　　　　Ｎ２

ここで、静電引力により、Ｎ１にｅが落ち込まないのは、不確定性原理によります。すなわち、もし電子が核に引っ付くと、電子の”位置”と”運動量”が同時確定する事になりますが、これは不確定性原理に反することなのです。

で、このＮ１、Ｎ２の距離が近づいてくるとｅは、Ｎ１との強い引力を振り払って、Ｎ２と静電的に結合しようとする確率がでてきます（実はこの確率が存在することが極めて重要！！）。当然これはどちらにも移動する確率があるので、

　　Ｎ１-ｅ・・・Ｎ２　　　＜-＞　　　Ｎ１・・・ｅ-Ｎ２　　　　　［１］

の様な状態が存在するのです。
このとき、電子は”移動する範囲が広がるため”、不確定性原理により、”運動量の低下”が起こり得ます。すなわち、一カ所に電子が局在化しているより、二カ所をうろついている方が、”運動エネルギーの低い状態が存在する”のです。これが、化学結合の安定化の要因です（波動関数を考慮するともっとはっきりします）。

で、この電子の移動確率がほぼ等しい（２核の電気陰性度がほぼ等しい）場合、電子を両者が共有していることになり（共有結合）、一方に平衡が片寄ってる（電気陰性度が異なる）場合、電子を引きつけてる方は負電荷を帯び、引きつけてない方は、正電荷を帯びてるので、両者は静電的に引き寄せられます（イオン結合）。

どんな結合にしても、基本的には静電的引力（クーロン力）によります。
ちなみに、希ガスや無極性分子においても、原子核周囲の”電子雲の揺らぎ”により、瞬間的に分極するため、それによる静電引力が弱い結合を生じます。

お礼

ありがとうございます。

もう一つ質問ですが、
分子の極性とは何ですか。
教科書には、直線形・Ｖ字型・三角錐型・正四面体型がある、とありますが、
分子の立体構造は、化学式からどう判断するのですか。
定期テストや入試で、これが問われた場合どう処理するのかお教え下さい。
たとえば、
(1)H2O (2)LiF (3)HCl (4)CO2 (5)CaOのうち無極性分子を選べ。解答(4)
なぜ？