【高校化学】最外殻電子と価電子の違い・共有結合とイオン結合と金属結合を簡単に解説!高校化学選択をしている受験生や高校生は必見!

理論化学の解説(最外殻電子と価電子の違い・共有結合とイオン結合と金属結合)

この記事の読者層と記事作成の理由

化学科を卒業して予備校講師(模擬試験作成)をしていた予備校講師の休日です。化学を放置すると忘れていくので、備忘録代わりに受験生・高校生・化学科の大学1年生にも役立つ高校化学の情報をまとめておこうと思い、この記事を作成しました!できれば、勉強法のTwitter(こっちがメイン)もフォローしてもらえると嬉しい^^勉強関連やTOEIC関連でこうやったら勉強できるなど気づいたことをどんどんツイートしていますので!化学関連の解説記事一覧はコチラから。

最外殻電子と価電子の違い

Twitterの原文ママ

最外殻電子と価電子でこんがらがる人が多いけど、最外殻電子は字の通り、最外殻にある電子っていうだけだからね。それ以上の意味はない。価電子は結合に関与する電子っていう意味。だから反応しない希ガスHeの最外殻電子って2個あるけどHeの希ガスは0個ってなるわけだ。https://bit.ly/2V1hPz4

最外殻電子と価電子の違い

解説コメント

先生〜〜〜。最外殻電子と価電子の違いが全くわからん!

俺も。違いが気になって3日も寝られない。

めちゃめちゃ簡単やで。最外殻電子は言葉通り、最外殻の電子殻にある電子のことや。例えば、LiだったらK2L1で入ってるわな。最外殻はL殻やから、Liの最外殻電子は1個っていうだけの話。価電子っていうのは、反応に関与する電子のことや。普通は『最外殻電子=反応に関与する電子』やから、『最外殻電子=価電子』となる。でも例外もある。細かく解説していくで〜!

Zzz…

希ガスの価電子はいくつ?

18族元素である希ガスは反応性に乏しかったよね。全然反応しない。なぜかというと、最外殻電子が閉殻構造(最外殻に電子8個が収容されていて、めちゃくちゃ安定な構造)をとる。(※ヘリウムHeは電子2個しかないから、最外殻電子は2個だけど閉殻構造を取っている。)

ネオンサインのネオンは希ガスの一種。めちゃくちゃ安定した単体。もっと働け!

価電子ってどういう電子のことか覚えてる?価電子は、反応に関与する電子のことを指す。つまり、一般的には最外殻電子が反応に関与する電子だから、最外殻電子=価電子となる。しかし、希ガスに関しては最外殻電子≠価電子だ。ここが重要。

だって、希ガスって閉殻構造を取っていて安定だから、他の原子と反応したりしないでしょ?ということは価電子の数(つまり、反応に関与する電子の数)は?

0個だよね。希ガスの価電子の数は0個であることは覚えておこう。理屈を考えれば当たり前の話だ。

じゃあ、ネオンの最外殻電子と価電子はいくつになるかな?今日はなぜか標準語だよ。今日の私のノリが標準語のノリらしい。

私はネオンの最外殻電子は8個だと思うわ。価電子は先生の言った通り、0個でしょ?あたしも標準語よ。

めんそ〜れ。

ネオンNeの電子配置を考えてみると、K2L8となる。したがって、最外殻電子(L殻に存在する電子の数)は8個となる。一方、希ガスは他の原子と反応しないので、希ガスの価電子は0となるわけだ。

化学において、結合の手のことを価標って言うよね。価電子の『価』と価標の『価』は同じ漢字だね。他の原子と反応する電子の数っていう意味があるんだろうね。

【まとめ】基本は、最外殻電子=価電子。例外は希ガス。

共有結合とイオン結合

Twitterの原文ママ

共有結合とイオン結合って実は同じ種類の結合なんだよ。単純に電気陰性度の差が大きい結合(NaCl)をイオン結合って言って、差がちょっとある(HF)と極性のある共有結合になって、差が全くない(Cl2)と共有結合になる。二元論的じゃなくてグラデーションな感じ。https://bit.ly/2V1hPz4

共有結合とイオン結合は同じ

解説コメント

さて。いよいよ共有結合とイオン結合ってどういう結合なんかっていう話に入っていくで!難しくないからきちんと聞いといてな!

○○結合っていっぱいありすぎてわかりづらいんよね。

それな。気持ちわかるで。だから、今回はまず、共有結合とイオン結合の話や。この2つの結合はよく似た結合…というよりほとんど同じ結合って言ってもかまわんな。その辺の話もしていくからよく聞いといてくれ!

共有結合・イオン結合って何なん?

まずはじめに、超簡単に覚えるだけって感じで説明すると、共有結合は非金属元素+非金属元素の結合、イオン結合は金属元素+非金属元素の結合と思ってくれればOK!!高校化学においてはこれでほぼほぼまかり通る。例えば、リチウムLiと水素Hが結合して、LiHが生成するとする。これはイオン結合かね?共有結合かね?

答えは、イオン結合。なぜなら、リチウムLiは金属で、水素Hは非金属だからね。周期表のどこの部分が金属元素で、どこの部分が非金属元素なのかをチェックしといてくれな。

ただ、これだけだと本質的な理解になってないと思うので、もうちょっと掘り下げて話をしていく。

ガラスは共有結合の結晶。窓ガラスなんかは不純物が含まれているのでアモルファス。このブログは私の努力と涙の結晶なのである。
共有結合とイオン結合の本質的な理解

上記では、どうすれば共有結合とイオン結合を区別できるかについての簡易的な説明をしたぞ。これから、そもそも共有結合って何なのか、イオン結合が何なのかについて話していくで。めっちゃ大事やからよろしく!

電気陰性度の説明をしたときにもしたけど、原子同士が結合するときは、電子によって結合する。例えば、ある元素Xとある元素Yが結合するときに、互いに1個ずつ電子を出し合って結合したとするわな。『X・』と『Y・』が結合して、『X:Y』になる感じ。このX−Yっていう物質のX-Y間の結合は、共有結合だろうか?イオン結合だろうか?

  • XとYの電気陰性度の差が小さい場合:共有結合
  • XとYの電気陰性度の差が大きい場合:イオン結合

となる。

【レベル❶】水素原子と水素原子が結合して水素分子になる結合を考えよう。『H・』と『H・』が結合して、『H:H』となる。この共有電子対(:)は、左の水素原子のものだろうか右の水素原子のものだろうか?

答えは、H原子同士の電気陰性度の差が0なので、共有電子対の取り分は半々となる。つまり、『:』は左右の水素原子の『共有』財産となるわけだ。つまり共有結合。

【レベル❷】では、H:Clだとどうなるだろうか?電気陰性度はCl>Hであることから、共有電子対の取り分はCl側にいく。つまり、『Hは電子を奪われる』ことになるわけだ。実際は、HとClだと、電気陰性度の差がめちゃくちゃ大きいわけじゃないので、Hがδ+という電荷を、Clがδ−という電荷を帯びている、『分極している』状態になる。(δというのは『少し』という意味。『分極している』という表現は覚えてくれ。)このように分極している分子のことを『極性分子』というんだな。

【レベル❸】では次、Na:Fだとどうなるだろうか?電気陰性度はF>>Naであることから、共有電子対の取り分はもはや完全にF側にいく。つまり、Naからすると、完全に電子を奪われた状態になる。こうなると、フッ化ナトリウムNa-Fという物質のNaは完全に『+1 』という電荷を持ち、Fは完全に『− 1』という電荷を持つことになる。つまり、Na+とFというイオンによって形成された物質となるわけだ。ここまでくると『イオン結合』となる。

まとめると、

  • レベル❶のH:Hは『共有結合』
  • レベル❷のH:Clは『共有結合』
  • レベル❸のNa:Fは『イオン結合』

となる。ちなみに、共有結合もイオン結合もめちゃくちゃ強い結合。ただし、イオン結合は叩くと割れる。

つまり、イオン結合か共有結合かというのは、2つの原子の電気陰性度の差が大きいのか小さいのかを見ればわかるというわけだ!

え!?じゃあ、電気陰性度の値を全部暗記しないといけないの?!

いやいやそんなことはない。私もほとんど覚えていないからね。見極め方はさっきも言った通り、金属と非金属の結合か、非金属同士の結合かということだ。

なんで金属と非金属ならイオン結合になるわけ?

金属全般が、『電子そんなに要りません。欲しくありません。』という性質を持ってるんだよ。一方で、非金属全般が、『電子欲しいよぉぉぉ!』っていう性質を持っているんだよ。つまり、金属の電気陰性度は小さく、非金属元素の電気陰性度は大きい。だから、金属−非金属の結合の場合、電気陰性度の差が大きくなる。つまり、イオン結合をするってわけだ。

【まとめ】金属+非金属=イオン結合、非金属同士=共有結合

ちょっと難しいけどなるほど!な話

電気陰性度は希ガスを除き、周期表において、右上(つまりフッ素F)が最大、左下が最小となる。理由は電気陰性度の記事をきちんと読みな!

周期表を見てみると、金属元素は概して右上に位置しておらず、電気陰性度は比較的小さいということがわかる。つまり、どんな金属を例に挙げたとしても、陰イオンとして存在することはあまりないということだ。

Na+,Li+,Mg2+,Pb2+,Ag+みたいに、陽イオンになっている金属はよく見たことがあるはずだけど、陰イオンになっている金属ってほとんど見かけないよね。(高校化学においてはほぼ皆無といって良い。大学レベルでは有名どころであればグリニャール試薬が挙げられる。)

これは、金属が錆びやすい話にも繋がっていくし、次の章(下)で説明する『金属結合』という話にも繋がっていくよ〜^^今回の内容で、イオン結合と共有結合っていうのは電気陰性度の差の大小によるものだということがわかったね。つまり、こっからがイオン結合でこっからが共有結合だっていう明確な二元論的な線引きはなくて、グラデーションみたいにぬめぇーっとイオン結合っぽくなっていってみたいなイメージ。『共有結合性を帯びたイオン結合』なんていう言葉もあるくらいだからね。こんな感じ↓

例えば、AgClなんかはAgとClの電気陰性度の差は小さい。なので、イオン結合には分類されるものの、共有結合性を帯びたイオン結合なんていう言い方をする。実際極性が少ないからイオン結合のくせに水には溶けないしね。同じハロゲン化銀に分類されるAgFなんかは電気陰性度の差が大きいから水に溶けるでしょ。AgClはアンモニア水にしか溶けない。AgBrやAgIになるともう絶望的だよね。全く水に溶けないわけ。電気陰性度の差が小さすぎて共有結合みたいになってるからね。(※極性の大きい化合物は水に溶けやすい。)

長くなったので、共有結合とイオン結合による結晶の性質についてはまた違う記事で話そうと思う。

ガラスは共有結合でできているのに割れやすい理由

ガラスの主成分はSiO2で、純物質としては水晶や石英などがあげられる。あの水晶玉とか、地学で習う石の名前ね。石英。石英ガラスの石英。石英ガラスでできた化学器具は普通のフラスコの何倍も値段が跳ね上がるから粗末に扱うとガチギレされる。

ところで、その水晶や石英の構成成分であるSiO2は共有結合でできている。どうしてこんなに強固な共有結合が軽く叩くだけでいとも簡単に割れてしまうのだろうか?これは、ガラス表面に小さなヒビがたくさん入っているからだそう。共有結合でできた物質が簡単に割れるっていうのってイメージつきづらいよね。

金属結合とは

Twitterの原文ママ

金属結合って金属自身の電気陰性度が低いからこういう結合をしているんだよ。電気陰性度が小さい=価電子を保持しにくい=自由電子になって他の金属へうろちょろする。これが金属結合。方向性はないのでできるだけ結合しようとする。だから密度の高い六方か面心になりやすい。https://bit.ly/2V1hPz4

金属結合とは

解説コメント

さて。続いては金属結合についてのお話。Youtuberが喜び勇んで丸めて作ってるアルミホイル玉をみたことはあるかい?

あぁあれね。アルミ玉作ったことあるよ。これでしょ?

そうそう、それそれ。めっちゃハンマーで叩いて形を変えて作ったでしょ?例えばSiO2でできてるガラスを叩くとどうなる?

そりゃあ、割れるっしょ。ガラスは叩いたら割れる。当たり前やん。

そう、ガラスを叩いたら割れるのに、金属であるアルミホイルを叩いても割れない。形を変形させることができる。これは金属は『金属結合』をしているからなんだな。これから金属結合について解説していこう:D

金属結合って何なん?

電気陰性度のところでも話したけど、金属は全般的に電気陰性度が小さい。そして、もっと本質的に言うと、イオン化エネルギーが低いんだな。(厳密には電気陰性度が小さいというよりイオン化エネルギーが低いという方が正しいと思う。定義の問題であるので解釈としてはまあとりあえずはどちらで解釈してもらってもいい。即ち『金属とは電子をあまり欲しがらない元素である』ということ。)つまり、電子をあまり欲しいと思わない元素ということなので、金属原子は電子を保持する力が弱いということになる。

金属って電子に対して放任主義なところがあるわけね。

そういうこと。放任主義で「好きなところで遊んで来なさい。」と言われた電子のことを自由電子という。各金属の最外殻電子(価電子)が自由電子になるんだな。例えば、Li原子の最外殻であるL殻の電子1個が自由電子になる。この自由電子っていう言葉は大事だからメモっといてね。

自由電子は他の金属原子のところに遊びに行く。電気陰性度(イオン化エネルギー)が小さい放任主義の元素だからね。そうやって各原子の自由電子が他の金属原子のところを自由に動き回ってできる結合を『金属結合』という。

金属結合は方向性がない結合(ただ自由電子がうろちょろしているだけで結合している結合)なので、できる限り結合し合って安定化を図る。だから、金属って密度が高くて”重い”イメージがあるのはそういうこと。できる限り結合して密集しようとするということ。(基本的に六方最密構造(充填率74%)か面心立方格子(充填率74%)の構造を取ることが多い。ただし、アルカリ金属を除く。)

つまり、金属結合とは、金属原子同士の電子殻をうろちょろする自由電子によってできる結合ということになる。金属結合の図をみたらそんな感じで書かれてるでしょ?だから、叩いても結合は切れることはなく、自由電子は自由に他の金属原子の電子殻をフラフラ移動して『金属結合』したままの状態を保つことができるというわけだ。

例外はアルカリ金属たちだね。あいつらは価電子が少なめ(1個)だから、自由電子の数が少ない金属と言える。金属結合は自由電子によってできる結合なので、アルカリ金属は緩めの金属結合をする。

だから、密度が低い(充填率68%)体心立方格子をとる。Liなんかは水より密度が軽い金属でしょ?水の半分くらいだよ(常温で0.534g/cm3)。だから、水に浮く金属なわけだ(実際に水につけると火柱が立って大火事になるのでやめましょう)。だから、スマホみたいな持ち運び用のバッテリーに使用されるというわけだ。重たい金属で作られたバッテリーとか持ちたくないでしょ?

結果、この金属結合は叩いても割れたりすることはなく、金属結合したままの状態を保つことができる。これが、金属が展性(金箔みたいに引き延ばすことができる性質)・延性(金属を線のように伸ばすことができる性質)という性質をもつ理由なんだな。

また、電気伝導性や熱伝導性があるのもこの自由電子による金属結合が原因。スプーンの先をコンロで温めていると、いくら反対側を持っていても熱くて持てなくなるでしょ?それは、自由電子が動き回れるから、動き回る最中に熱も一緒に伝えてしまうからなんだな。金属光沢がある理由もこの自由電子が原因。まとめると、

金属の性質とは、

  • 展性・延性がある
  • 熱伝導性・電気伝導性がある
  • 金属光沢がある

となる。

配位結合は共有結合の1種

Twitterの原文ママ

配位結合ってのは、共有結合の一種です。2つの原子(またはイオン)があって双方から電子を出していれば共有結合、片方からだけ出していれば配位結合っ。ちなみにNH4+の話ですが配位結合をした後、どれが配位結合をしていてどれが共有結合しているかは見分けがつかないよ。https://bit.ly/2V1hPz4

配位結合は共有結合の1種

解説コメント

ではでは、最後に配位結合の話をしよう。配位結合は実は共有結合の一種なんやな。『結合する過程がちょっと違う共有結合』って思ってくれればいい。

じゃあ、あの共有電子対を2つの原子同士で共有し合ってるあの感じ?

そうそう。そんな感じ。配位結合でよく説明に使われるのがアンモニウムイオンNH4+やから、今日はアンモニウムイオンを使って配位結合を解説してくでぇぇ!

配位結合って何なん?

配位結合っていうと特殊な結合だなあ〜と感じる方もたくさんいらっしゃいますが、配位結合は共有結合とあまり変わりません。

AとBが結合するときに、Aが1つ、Bが1つ電子を出して結合していれば共有結合っていいますよね。

Aが2つ原子を出してBは出さずに単結合するというこの不公平感。これが配位結合です。それだけの話。簡単でしょ?本質的には、共有結合と変わらない。ただし、誰が結合するための電子を出しているのかで変わってくる。

アンモニアNH3の窒素原子って非共有電子対を1つ(つまり、結合に使われていない電子が2つ)持ってるやんね。でその近くに水素イオンH+が存在するとする。NH3が持っている結合に使われていない電子2つをH+に渡すような感じで結合をする。これが配位結合。すると、アンモニウムイオンNH4+というイオンができるんだな。 アンモニウムイオンの各N-H結合は、どれが共有結合による結合でどれが配位結合による結合かは区別がつかない。これよく問われる話だから押さえておいてね。

※上記の『予備校講師の休日』のセリフ部分の『NH3の窒素原子って非共有電子対を1つ持ってる』という部分が不明瞭な人はオクテット則、電子式の勉強をし直そう。Hの価電子が1つ、Nの価電子が5つであり、N-H間の結合は単結合考えると、非共有電子対が1つあることがわかるはず。

NH3の各N-Hの結合は非金属同士の結合なので、N原子が1つの電子を、H原子が1つの電子を出して結合していますね。だから共有結合。ここにH+なんかが現れて、Hが「俺とくっついてNH4+になろうぜ。」なんて言ってきたとします。NH3からすれば電子を2つ出して結合しないといけないので、これは配位結合なわけです。H+はヒモですね。NH3が全部負担しないといけない理不尽な結合です。しかも、NH4+になった暁には、もはやどのN-Hの結合が配位結合でどのN-Hの結合が共有結合であったかはわからなくなります。H+は最低な野郎ですね。

ちょっと発展的だけど…

無機化学を学習していくと錯イオンっていうイオンについて勉強することになる。これはまだ先の話だから、細かい話は一旦割愛するけど、ジアンミン(Ⅰ)銀イオン[Ag(NH3)2+などの錯イオンは銀イオンAg+にNH3が2つ配位する形で生成するイオン。なので、これも配位結合っていうよ。詳しくは無機化学の解説でまたするので!

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ABOUTこの記事をかいた人

ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。