原子価と構造式

いくつかの原子が結びついて分子をつくっているとき原子同士がどのように結びついているかを考えるには結びつく手を考えると便利です。

例えば水H₂Oは、水素原子が1本酸素原子が2本の手をもっていて互いに結びついていると、考えるわけです。

同じように、水素・酸素・二酸化炭素・アンモニアなどの分子もそれぞれの分子をつくっている原子がいく本かずつの手をだして互いに結びついていると考えられます。

このようにして、いろいろな原子の結びつき方を調べてみると元素の種類によって、手の数が決まっていることがわかります。

この原子の手の数を原子価といい手の数が一本、二本、三本……のときの原子価はそれぞれ、一価、二価、三価……というようにあらわします。

原子価は、ふつう元素の種類によって決まっていますが中には、つくる化合物の種類によって、原子価がかわる元素もあります。

また、原子価には元素の種類によって＋と－の性質があって＋のものと－のものが結びつきやすいのです。

原子どうしが結合するときにはそれそれの原子が出しあった手を一本ずつ結びます。

この結びついた一組の手を一本の線であらわし原子を元素記号であらわして分子の成り立ちをしめした式を構造式といいます。

構造式は化学式の一種です。

前にしめした、水や酸素などの分子を構造式でしめすと右のようになります。

またナイロンなどの複雑な化合物の分子も構造式でしめすと、原子の並びかたがよくわかります。

有機化合物には炭素・水素などでできた複雑な化合物が非常に多く構造式であらわすと、その結びつき方がよくわかります。

原子量と分子量

原子や分子1個の重さは非常に小さいのでこれを、いちいちグラムであらわしていてはたいヘん面倒です。

そこで、原子量とか分子量という値であらわします。
原子量というのは、炭素原子のなかで、原子核が陽子6個と中性子6個とからできている原子つまり質量数12の炭素原子の重さを12.0000としてそれに比べたほかの元素の原子の重さをあらわしたものです。

また、分子量というのは分子をつくっている原子の原子量を全部足したものでその分子の重さをあらわしたものです。

原子量は、専門的に厳密な値をもとめる以外は小数点以下第四位まで正確に計算する必要はありません。

ふつう私たちが扱う場合には右の表でしめしたような数値で充分です。

水素や酸素・水などの分子量は水素の原子量を1、酸素の原子足を16として計算するとそれぞれ、2、32、18となります。

分子式と組成式

水素分子や酸素分子の1個はそれぞれ水素原子、酸素原子が2個ずつ結びついてできています。

水素分子や酸素分子を記号であらわすにはそれぞれの元素記号を使ってH₂Oとあらわしています。

2Hとか2Oとあらわした場合はそれぞれ、水素原子2個、酸素原子2個という意味で分子をあらわすことにはなりません。

また、水の分子は水素原子2個と酸素原子1個とからできていますからH₂Oとあらわし、水の分子2個は2H₂Oとあらわします。

このような分子をあらわす記号を分子式といいます。

ところで、食塩の成分である塩化ナトリウムはナトリウムイオンと塩素イオンとの化合物ですがその結晶は、ナトリウムの陽イオンと塩素の陰イオンが四方八方につながっていて、分子の区別はつきません。

しかし、ナトリウムイオンと塩素イオンの比にいつでも1対1になっています。

それで、塩化ナトリウムの成分元素とその割合を記号であらわすと、NaClとなります。

このような場合に、分子式といわずに、組成式ということがあります。

また、イオウ・リンなどの単体や、金属などはその分子1個をつくる原子の数がはっきりしていませんがこれらの物質の分子式に、元素記号をそのま使ってあらわしています。

化学式と化学反応式

分子式や組成式のように物質をあらわすのに元素記号を使った式を化学式といいます。

化学式を使って化学変化をあらわすといろいろなことをいちどにしめすことができて非常に便利です。

例えば、水素と酸素とから水ができる化学変化は
　　2H₂ + O₂ → 2H₂O
とあらわします。

この式の左辺は、反応する前の物質が水素と酸素であり水素2分子と酸素1分子の割合で反応することをしめします。
また右辺は、反応してできた物質は水であり水素2分子と酸素1分子とからは、水2分子ができることをしめしています。

このように、化学式を使って化学変化の様子だけでなくその量の関係まであらわす式を化学反応式といいます。

化学反応式では、反応の途中で原子がなくなったり、新しくできたりすることはありません。

化学反応式の左辺に水素原子が4個あれば右辺にもかならず4個の水素原子かあるというように化学反応式の右辺と左辺の原子は必ず、同じ数でなければなりません。

水素ができる反応などは化学反応式を使ってつぎのようにあらわすことができます。

水素ができる反応

水を電気分解する

2H₂O → 2H₂ + O₂
水 → 水素 + 酸素

ナトリウムによって水を分解する

2H₂O + 2Na → H₂ + 2NaOH
水 + ナトリウム → 水素 + 水酸化ナトリウム

希硫酸と亜鉛から水素を発生させる

Zn + H₂SO₄ → H₂ + ZnSO₄
亜鉛 + 硫酸 → 水素 + 硫酸亜鉛