共有結合とイオン結合。 分類、式、命名法

Organization

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  Pre-Lab: Pre-Lab なし

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  Mode: inquiry, groups of 2

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  Grading: lab notebook, post-lab report

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  Safety: 特になし

I: 背景

化学は物質を扱いますが、宇宙には実にさまざまな物質が存在します。 物質の振る舞いは、存在する元素の種類と、それらの元素がどのように結びついて分子を作っているかという構造に依存します。 この演習では、いくつかの代表的なモデルを評価し、化合物の分類、化合物の式の予測、および化合物の命名に使用するルールを開発します。 この演習は、式の書き方や命名法のルールを習得するために必要な作業のほんの始まりにすぎません。 教科書には、一般的な陽イオンと陰イオンの名前と式の表があり、命名法の規則について詳しく説明されています。 命名法の正式な規則は、ルイス構造や反応化学の議論では必ず使われますが、講義では提示されないことがあるので、この資料には時間をかける必要があります。

II: Exercises

Part A: Covalent or Ionic Compound?

多くの化合物、特に一般化学コースで議論されているものは、共有結合またはイオン化合物に分類されます。 化合物の分類は、その化合物を構成する元素間の化学結合の種類によって決まります。 このワークシートのパートでは、化合物を簡単に2つのカテゴリーのいずれかに分類する方法を学びます。

PbS

共有化合物にある。 価電子は、結合している2つの原子の間で共有されます。 これらは均等に共有される場合（共有結合）と不均等に共有される場合（極性共有結合）があります。 イオン結合では、電子は一方の原子に局在し（全体として負の電荷を持つ）、他方の原子は全体として正の電荷を持つ。 結合する2つの原子の電気陰性度の違いから、その結合がイオン結合、共有結合、極性共有結合のいずれであるかを予測することができ、また結合する原子の種類（金属か非金属か）からも予測できます。

共有結合とイオン結合の特徴

以下の質問に答えるとき、表1を考慮してください。

• 共有結合の元素は金属、非金属、またはその混合物ですか。

• イオン性化合物の元素は金属、非金属、またはその両方の混合物ですか？

• 2つの分類について、見つかった元素の種類（金属または非金属）を比較します。 存在する元素の種類と分類にどのような傾向が見られるか？

化合物の分類

• それぞれの共有結合化合物について、結合の種類を極性共有結合と非極性共有結合に分類してください。

• 化合物の分類と、化合物を構成する元素の間に形成される結合の種類には、どのような傾向が見られるか。

• Part Aのモデルの探索で学んだことをもとに、化合物をイオン性か共有性に分類できるルールを書きましょう。

Part B: イオン性化合物の式の予測

化学式では、式中の原子の種類の数を指定するのに下付き文字が使用されています。 例えば、O2は酸素原子2個からなる分子、CH3OHは炭素1個、水素4個、酸素1個からなる分子と解釈される。 上付き添え字はイオンの電荷を指定するために使用される。 Al3+はアルミニウム原子1個で電荷は3+と解釈され、アルミニウムカチオンとなる。イオンにはAl3+やF-のように原子のものもあるが、多原子イオンもある。 多原子イオンとは、複数の原子からなる粒子で、それらが集合してイオン電荷を帯びているものです。 OH-（水酸化物アニオン）は酸素1個と水素1個の粒子で、全体がマイナスの電荷を持ち、NO3-（硝酸塩）は窒素1個と酸素3個の粒子で、全体がマイナスの電荷を持っています。 化合物の式に上付き文字がある場合は、その物質はイオンであり、上付き文字がない場合は、分子の電荷はゼロ（中性）であると考えることができる。

O2-を含む。

イオン化合物の特徴

• 1列目を見る。 各イオン性化合物の電荷は何ですか？

• イオン化合物の式から、各イオン化合物には陽イオンがいくつ、陰イオンがいくつ存在するか？

• カチオンの総電荷量とアニオンの総電荷量の和は何個か？ 化合物の式に存在する各イオンの数と、各イオンの電荷の符号を考慮せよ。

イオン化合物の電荷のバランス

• イオン化合物の式で、AlF3はNaFよりF-イオンが多いのはなぜですか？

• 化合物に複数の多原子イオンが含まれる式に括弧が必要なのはなぜですか？

• 電荷が4+の陽イオンと電荷が2-の陰イオンを考える。 この2つのイオンの間で形成されるイオン化合物には、何個の陽イオンと何個の陰イオンが必要か。

• イオン化合物の式に含まれる陽イオンと陰イオンの数を予測できるような法則を書きなさい。 イオン化合物の式を書けるようになるために必要なことをリストアップしてください。

パートC：共有結合とイオン化合物の命名法

命名法とは、化合物に含まれる元素やイオンの数や種類が伝わるように、体系的に命名することです。 有機化学では、C、H、Oのみを含む有機化合物が何百万種類もあるため、命名法の規則を理解することがますます重要になる。どの化合物について話しているかを伝えるには、式や構造が与えられたときにどのように化合物を命名するか、また、名前から化合物の式や構造をどのように書き表すかを理解する必要がある。 例えば、ジメチルエーテルとエタノールは、どちらも炭素が2つ、酸素が1つ、水素が6つですが、一方はイボ取りの凍結スプレーとして使用でき、一方は人を酔わせる神経系抑制剤です。エタノールと呼ぶ方が、炭素が2つ、水素が6つ、酸素が1つの有機化合物と呼ぶよりずっと簡単で、エタノールにすると酔わせることができるのです。 ここでは、単純な共有結合化合物とイオン化合物から命名法の探求を始めることにします。 命名法は難しくないが、面倒くさい。 命名法では、ある程度の暗記は避けて通れない。 命名法のルール、式、異なるイオンの電荷などを知っていないと、式から化合物を正しく命名したり、名前から式を書いたりすることができないからです。

共有結合の命名法

表3の共有結合の化合物について。 次の問いに答えなさい。

• 式中に最初に書かれている元素は、式中の元素の中で電気陰性度が高いものか、電気陰性度が低いものか？ この順番は化合物名で変わるのでしょうか？ また、化合物名では何が変わるのでしょうか？

• 式中の元素の数が化合物名でどのように伝わるかを説明しなさい。

• 上の表にある炭素と酸素、または窒素と酸素の化合物を考えてみよう。 なぜ、各元素の数を名前で伝えることが重要なのでしょうか。 例えば、炭素と酸素からなる化合物に酸化炭素の名前をつけるとうまくいかないのはなぜか。

Na+.と

イオン化合物の名称

表4 のイオン化合物についは、次の質問に答えよ。

• 式中ではカチオンとアニオンのどちらが先に書かれているか。 この順序は名称でも変わるか。

• 式中の陽イオン、陰イオンの数は化合物名で伝えられるか？ また、その必要がないと考える理由は何ですか？

• 表中の主族金属の陽イオンは元素名と同じですが、銅と鉄の陽イオンは元素名と同じではありません。 銅と鉄の陽イオンの名前にあるローマ数字の意味は何ですか？

命名規則の分析

• 表3で探索した化合物をもとに、共有結合化合物の命名規則について簡単に書いてください。

• 酸素の陰イオンを酸化物、塩素の陰イオンを塩化物と呼ぶ場合、硫黄、臭素、窒素の陰イオンの名前を予想せよ。 これらの陰イオンの電荷はそれぞれ何であろうか。

• 表4で探索した化合物をもとに、共有結合化合物の命名規則について簡単に説明せよ。

• アルカリ金属やアルカリ土類金属のカチオンの電荷を特定する必要はないが、遷移金属のカチオンの電荷を特定する必要があるのはなぜか。

以上、共有結合とイオン結合の系統的な命名法について簡単に紹介しました。 ここで紹介したのは多くの化合物のごく一部ですが、命名法の規則を知り、イオンの式を知っていれば、どんなものでも命名でき、どんな名前でも解釈できるのです。 陰イオンの命名法-ides, the -ites, the -ates

イオンの陰イオンを表す。 窒素、リン

• -イドアニオンについて、アニオンの電荷は中性元素の電子配置や周期表での元素の位置とどのように関係していますか。 また、指定された陰イオンを形成するとき、その元素の電子配置はどのように変化するか。

• 同じ元素のアニオンの系列（例えば含硫アニオン）で、-ideアニオンから-ite、-ateアニオンになるとき、アニオンの式はどのように変化しますか？

• アニオンの-ate型から-ite型になった場合、酸素原子の数はどのような傾向がありますか？ また、-ate型アニオンと-ite型アニオンの電荷にはどのような傾向が見られますか？

• 末尾が-ideになる元素（例えばコリドやスルフィド）のアニオンの電荷をどう予測するか、記述してください。

• -ateアニオンと-iteアニオンの集合体の一般名称はオキシアニオンである。 これらのイオンがオキシアニオンと呼ばれる理由を説明しなさい。

• ある元素の-ateアニオンの式から、その元素の-iteアニオンの式を決定する方法を説明する文章を書け。

パートE． 陰イオンの命名法-per-ates, -ates, -ites, hypo-ites

以下の表6を考えてみよう。

塩素と臭素の陰イオン名

• 塩酸と臭素から始める。 過塩素酸塩と過臭素酸塩に見られる式の変化を説明しなさい。

• 塩素酸塩と臭素酸塩から始めて、次亜塩素酸塩と次亜臭素酸塩に見られる数式の変化を説明しなさい。

• ある化合物の-酸アニオンの式から、ある元素の過酸アニオンの式を決定する方法を述べた一般論を書きなさい。

• ある化合物の-iteアニオンの式から、ある元素のhypo-iteアニオンの式を決定する方法を記述した一般的な文章を書け。

Part F: オキシ酸の命名法 -ic Acids and the -ous Acids

以下の表7を考察せよ。

亜硫酸イオン 亜硫酸イオン HNO3

酸の名称

• それぞれの酸についてカチオンは何でしょうか。

• -酸オキシアニオンの酸の名称の傾向は？

• -iteオキシアニオンの酸の名称の傾向は？

• オキシアニオンの式と名前が与えられたとき、オキシ酸の式と名前をどのように予測するか、一般的な文章を書け。

パートG：命名法ビンゴ

講師が化学式と名称が混在したビンゴカードを用意してくれます。 講師は不足している情報を呼び出し、あなたは一致する式または名前を持っているかどうかを示さなければなりません。 最初に行、列、または斜めに5つ一致した生徒が、次の化学物質のセットを呼び出します。