化学結合とは何ですか？

化学結合は、2つ以上の原子が結合して分子を形成するときに発生します。 すべてのシステムが最低のエネルギーレベルに到達しようとするのは科学の一般原則であり、化学結合は、結合していない原子よりもエネルギーが少ない分子が形成できる場合にのみ発生します。 結合の3つの主要なタイプは、イオン、共有、および金属です。 これらはすべて、さまざまな方法で原子間を移動する電子を伴います。 もう1つのはるかに弱いタイプは、水素結合です。

原子構造

原子は、正に帯電した陽子を含む原子核で構成され、同数の負に帯電した電子に囲まれています。 したがって、通常、それらは電気的に中性です。 ただし、原子は1つ以上の電子を失ったり獲得したりして、正または負の電荷を与えます。 人が電荷を持っているとき、それはイオンと呼​​ばれます。

化学結合に関与しているのは電子です。 これらの粒子は、核から遠ざかる距離に存在すると考えられるシェルに配置されます。 一般に、シェルが核から離れるほど、シェルのエネルギーは大きくなります。 シェルを占有できる電子の数には制限があります。 たとえば、最も内側の最初のシェルには2つの制限があり、次のシェルには8つの制限があります。

ほとんどの場合、結合に関与するのは最外殻の電子のみです。 これらはしばしば価電子と呼ばれます。 一般に、これらの構成は通常エネルギーが少ないため、原子はすべて完全な外殻を実現するように互いに結合する傾向があります。 希ガスとして知られる元素のグループ-ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドン-はすでに完全な外殻を持っているため、通常は化学結合を形成しません。 他の元素は一般に、他の原子と電子を与えたり、受け入れたり、共有したりすることにより、希ガス構造を実現しようとします。

化学結合は時々、アメリカの化学者ギルバートN.ルイスにちなんで名付けられたルイス構造と呼ばれるものによって表されます。 ルイス構造では、原子価電子は分子内の元素の化学記号のすぐ外側のドットで表されます。 電子がある原子から別の原子に移動した場所と、原子間で共有されている場所を明確に示します。

イオン結合

このタイプの化学結合は、電子を容易に放出する金属と、それを受け入れようとする非金属との間で起こります。 金属は、不完全な最外殻の電子を非金属に与え、その殻を空のままにして、下の完全な殻が新しい最外殻になるようにします。 非金属は電子を受け取り、その不完全な最外殻を埋めます。 このようにして、両方の原子が完全な外殻を実現しています。 これにより、金属には正電荷が、非金属には負電荷が残るため、これらは互いに引き合う正および負のイオンです。

簡単な例はフッ化ナトリウムです。 ナトリウムには3つの殻があり、最も外側に1つの価電子があります。 フッ素には2つの殻があり、最も外側に7つの電子があります。 ナトリウムはその1つの価電子をフッ素原子に与えるため、ナトリウムは2つの完全な殻と正の電荷を持ち、フッ素は2つの完全な殻と負の電荷を持ちます。 結果として生じる分子—フッ化ナトリウム—は、電気的な引力によって結合した完全な外殻を持つ2つの原子を特徴とします。

共有結合

非金属の原子は、全体のエネルギーレベルを下げるように電子を共有することで互いに結合します。 これは通常、組み合わせたときに、すべてが完全な外殻を持つことを意味します。 簡単な例を挙げると、水素はその最初の（そして唯一の）シェルにたった1つの電子しか持っていないため、完全なシェルの1つを短くしています。 2つの水素原子は電子を共有して、両方が完全な外殻を持つ分子を形成できます。

多くの場合、原子が持つ電子の数から、原子が互いに結合する方法を予測することができます。 たとえば、カーボンには6があります。つまり、カーボンの最初のシェルが2つで、一番外側のシェルが4つあり、外側のシェルが4つ不足しています。 酸素には8個あるため、外殻には6個あります。2個は完全な殻ではありません。 炭素原子は2つの酸素原子と結合して二酸化炭素を形成することができ、炭素は各酸素原子と2つの4つの電子を共有し、酸素原子はそれぞれ炭素原子と2つの電子を共有します。 このように、3つの原子はすべて、8つの電子を含む完全な外殻を持っています。

メタリックボンディング

一片の金属では、価電子は個々の原子に属するのではなく、多かれ少なかれ自由に動き回ることができます。 したがって、金属は、可動の負に帯電した電子に囲まれた正に帯電したイオンで構成されます。 イオンは比較的簡単に移動できますが、電子に引き付けられるため、分離するのは困難です。 これは、金属が一般に曲げやすいが壊れにくい理由を説明しています。 電子の移動度は、金属が電気の良い伝導体である理由も説明します。

水素結合

上記の例とは異なり、水素結合には分子内ではなく分子間の結合が含まれます。 水素が、フッ素や酸素などの電子を強く引き付ける元素と結合すると、電子は水素から引き離されます。 これにより、一方の側が全体的に正の電荷を持ち、他方が負の電荷を持つ分子が生成されます。 液体では、正と負の側面が互いに引き合い、分子間に結合を形成します。

これらの結合は、イオン結合、共有結合、または金属結合よりもはるかに弱いですが、非常に重要です。 水素結合は、2つの水素原子と1つの酸素原子を含む化合物である水中で起こります。 これは、液体の水を気体に変換するために、他の場合よりも多くのエネルギーが必要であることを意味します。 水素結合がなければ、水ははるかに低い沸点を持ち、地球上の液体として存在することはできません。