発展化学:構造・性質・エネルギー・化学平衡

構造:原子はどう並ぶか

原子は、電子を共有したり移したりして結びつきます。分子の中の各原子は、電子対(結合と非共有電子対)をできるだけ離しておこうとします。電子対どうしは反発し合うからです。この簡単な考え方(VSEPRといいます)から形が決まります。

よくある形

• 直線形:CO₂(180度)。
• 折れ線形(曲がった形):H₂O(約104.5度)。2組の非共有電子対が結合を押し縮めるためです。
• 三角すい形:NH₃(約107度)。非共有電子対が1組あります。
• 正四面体形:CH₄(109.5度)。結合が4本で、非共有電子対はありません。

もっと大きな構造も同じ考え方です。ダイヤモンドは炭素原子が巨大な網目状につながったもの、食塩の結晶はイオンがくり返し並んだ格子です。

性質:形と電荷が決めること

原子によっては、共有している電子を強く引き寄せます。この引き寄せる力を電気陰性度といいます。分子の中の引っ張りが打ち消し合わないと、一方の端がわずかにマイナス、もう一方がわずかにプラスになります。この分子は極性分子です。まっすぐなCO₂や正四面体のCH₄のように引っ張りが打ち消し合えば、無極性分子です。

それで何が変わるか

• 極性分子どうしは強く引き合うので、水は100 °Cで沸騰し、メタンは約−162 °Cで沸騰します。
• 「似たものは似たものを溶かす」:塩や砂糖は水に溶けますが、油は溶けません。
• 巨大な網目構造(ダイヤモンド、シリカ)はとても硬く、非常に高い温度で溶けます。金属は電子が自由に動くので電気を通します。

エネルギー:活性化エネルギー、熱、触媒

反応を始めるには、まず古い結合をゆるめなければなりません。そのために必要な最低限の後押しが活性化エネルギー(E_a)です。ボールが丘を登ってからでないと転がり下りられないのと同じです。

反応熱

生成物のエネルギーが反応物より低いと、熱が出ます(発熱反応、ΔHは負)。高いと、熱を吸います(吸熱反応、ΔHは正)。ΔHは丘の高さには関係しません。

触媒

触媒は、反応に低い丘の通りやすい道を作ります。反応は速くなりますが、始めと終わりのエネルギーは変わらないので、ΔHも変わりません。触媒は使い切られません。

化学平衡:反応が止まったように見えるとき

多くの反応は可逆です:A ⇄ B。最初は正反応だけが進みます。Bが増えるにつれて、逆反応が速くなります。平衡では2つの速さが等しくなるので、AとBの量は変わりません。何も止まってはいません。両方の反応は続いています(これを動的といいます)。

平衡定数

A ⇄ B のとき、K = [B] / [A] です。Kが大きいと生成物が多く、小さいと反応物が多いことを表します。Kは温度でだけ変わります。

ル・シャトリエの考え方

平衡にある系をかき乱すと(Aを足す、圧力や温度を変える)、その乱れを小さくする向きに動きます。触媒は平衡を動かしません。たどり着くのを速くするだけです。

やってみよう:くしで極性を見る

プラスチックのくしを乾いた髪にこすりつけます。蛇口を開けて、細い水の流れを作ります。くしを水の流れに近づけると、水がくしのほうへ曲がります。水分子が極性を持っているからです。次に、細く垂らした食用油で同じことをしてみましょう。ほとんど動きません。3Dでは、水と二酸化炭素を順に選んで、表示された数値を比べてみましょう。

重要な公式と用語

• 結合角:CO2 180、NH3 約107、H2O 約104.5、CH4 109.5(度)
• 発熱反応:生成物が反応物より低い、dH < 0
• 吸熱反応:生成物が反応物より高い、dH > 0
• A <-> B のとき:K = [B] / [A]
• 平衡のとき:正反応の速さ = 逆反応の速さ

例題

よくある間違い

• 触媒が平衡での生成物の量を変えると考えること。触媒が変えるのは、平衡にたどり着く速さだけです。
• 平衡では反応が止まると言うこと。正反応も逆反応も、等しい速さで続いています。
• 極性結合があれば必ず極性分子になると考えること。形によっては引っ張りが打ち消し合います(CO2)。
• 活性化エネルギーとdHを混同すること。前者は丘の高さ、後者は始めと終わりの差です。