3

まえがき

　「専門基礎ライブラリー」の中の「基礎化学 1」と「基礎化学 2」では，工学部の学生がそれぞれの専門を理解し発展させるために必要な「化学」の基礎をまとめている。その「基礎化学 1」と「基礎化学 2」をご利用いただいている方々の中から「1冊にまとめた本が欲しい」とのご希望が多く寄せられており，今回「基礎化学　合本版」（＝新編基礎化学：本書）の刊行となった。「新編基礎化学」においても「基礎化学 1」や「基礎化学 2」と同様に，どの専門分野においても必要不可欠な「化学」分野を厳選してわかりやすくまとめている。それぞれの分野は章にまとめられており，各節は講義 1時限分に相当する内容を含み，半期 14週の教科書として利用することを想定しているが，それぞれの講義の都合により省略しても理解できるようにまとめている。1年間で実施する講義を考え，生命・環境については触れていない。他の講義で補完していただきたい。

　「新編基礎化学」では，「第 1章　はじめに」において「化学の基礎となるモルの概念」と定量的に考える際に必要な「単位と有効数字の扱い方」についてまとめ，「濃度の計算」，「指数・対数」と「微分・積分」の基礎を学べるようにした。第 2章・3章では，物質の基礎となる原子・分子の構造と結合や性質についてできるだけわかりやすくまとめており，厳密さに若干かける部分は第 9章で記述した。私たちのまわりの物質は原子・分子が集合したものであり，第 4章においては主に気体の性質を，第 5章では気体分子の運動を考え，エネルギーとエントロピーの基礎を学び，第 6章で化学反応がどのように起こるのかを勉強する。また，実際の生活に密着した物質・材料について，第 7章においては無機・固体材料とその基礎となる無機化学を，第 8章において有機化学の基礎をまとめている。第 9章は，化学の基礎となる量子化学に触れており，より深く化学を勉強することも可能ではあるが，場合によっては省略しても差し支えない。各章には例題・ドリル問題・演習問題が用意されており，問題を解くことにより，内容がより理解しやすくなるように構成されている。　内容は平易にわかりやすく記述しているので，化学の基礎力を身につけて，それぞれの専門をさらに発展させていただきたい。　なお，本書中のいくつかの図には，高等学校教科書「化学 I」実教出版 井口洋夫・木下實ほか　より転載（一部改変）させていただいたものがあり，そのご厚意に厚く御礼申し上げます。

「新編基礎化学」の著者を代表して吉田泰彦　　　　　

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監修の言葉

　大学の学生の理工系離れ，学力低下などが話題になって久しい。多くの大学教員の嘆きや落胆が日増しに大きくなってきており，むしろ諦めが定着しつつあるようにさえ見える。しかし，ただ現実を傍観しているだけでは事態の改善には何の役にも立たない。大学教員にできることはそれほど多くはないが，少なくとも，理工系学部に入学してきた学生のためのテキストを，学生に合うように編纂して，少しでも彼らの理解に役立てるようにすることは可能であり，むしろ現在の大学教員の責務ですらある。　日本が技術立国を標榜する限り，理工系学生の需要は減ることはないし，どちらかといえばこれからも増えることになるであろう。そのためには，高校で数学や理科系科目で十分な知識を得ずに理工系学部に入学してきた学生が，最低限の基礎知識をものにし，専門分野に入るときにも閾の高さを感じないで，その専門分野に魅力を感じながら学習できるように指導しなくてはならない。　本シリーズはそのような意図のもとに企画された理工系学部学生のための専門書で，おもに学部 1，2年生が使用するよう企画されている。そのために，専門のなかでも基礎的で重要な項目に絞って，やさしく記述して理解を助けるとともに，内容をあまり広範囲にとらず，その代わりこれだけは将来にわたっても知識として持ち続けて欲しい内容のみを記述した。　さらに，テキストの内容が理解できているかどうかがわかるように，節ごとにその場で即答できる簡単なドリル問題を設けてある。この問題は読者がテキストの内容に書かれた事項に慣れるための訓練でもある。各章の終わりには演習問題が付けられているが，この問題も一般のレベルから見ると平易である。むしろ難問に取り組んで挫折するよりも問題を解くことに成功した達成感を味わう方を優先した結果である。さらに進んだ学生のために，家で少しじっくり考えて貰うための問題を演習問題の最後に用意した。これら 3段階の問題を解くことで，専門基礎に十分な知識が備わるものと考えている。　本書は，複数の大学教員の協力によって書かれている。それは，いろいろな教員が，学生のレベル，カリキュラム，自らの教育方法の違いなどを述べ合い，最良と思われる教育方針に沿ったテキストを作ることを意図したからである。その中である程度の分担はなされているが，最終的には全員がすべての原稿に目を通し，意見を交換して，加筆修正した結果できあがったものである。　監修者として最も力を入れたことは「わかりやすいテキスト」という点で，この点を執筆者に強く要請した。この目標が達せられたかどうかは読者の判断にゆだねることになるが，読者の声を今後の企画に十分に反映させていきたいと考えている。　最後に，多くの著者をまとめ，企画，編修に多大の労力を提供し，さらに出版社としてのみならず，読者の立場からも貴重な意見を出して頂いた実教出版株式会社平沢健氏に厚く感謝します。

金原　粲　

4　目　　　次

1 はじめに ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 9

1-1 まずはおさえておきたい化学の基礎 ････････････････････････････････････････････ 9

1―1―1　物質は原子・分子からできている ･･････････････････････････････････････････ 9

1―1―2　原子と分子 ･･････････････････････････････････････････････････････････････10

1―1―3　化学反応 ･････････････････････････････････････････････････････････････････11

1―1―4　化学で使う単位とモルの概念 ･････････････････････････････････････････････13

ドリル問題　1―1 ･････････････････････････････････････････････････････････････････17

1-2 化学で使う数学 ･････････････････････････････････････････････････････････････････18

1―2―1　有効数字 ･････････････････････････････････････････････････････････････････18

1―2―2　比例計算 ･････････････････････････････････････････････････････････････････19

1―2―3　濃度などの物質の量を用いた計算 ･････････････････････････････････････････20

1―2―4　指数 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････21

1―2―5　対数 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････21

1―2―6　微分と積分 ･･････････････････････････････････････････････････････････････22

ドリル問題　1―2 ･････････････････････････････････････････････････････････････････23

1章 演習問題 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････24

2 原子の構造と性質 ･････････････････････････････････････････････････････････････････26

2-1 原子･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････26

2―1―1　原子の基本構造 ･･････････････････････････････････････････････････････････26

2―1―2　原子と元素 ･･････････････････････････････････････････････････････････････26

2―1―3　水素原子の構造 ･･････････････････････････････････････････････････････････30

2―1―4　原子の電子配置 ･･････････････････････････････････････････････････････････33

ドリル問題　2―1 ･････････････････････････････････････････････････････････････････35

2-2 原子の電子軌道 ･････････････････････････････････････････････････････････････････36

2―2―1　電子の波動性と電子軌道 ･････････････････････････････････････････････････36

2―2―2　電子軌道と元素の化学的性質 ･････････････････････････････････････････････38

2―2―3　電子のエネルギーと原子の安定性 ･････････････････････････････････････････40

ドリル問題　2―2 ･････････････････････････････････････････････････････････････････44

2章 演習問題 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････44

3 化学結合と分子の構造 ･･･････････････････････････････････････････････････････････45

3-1 化学結合と電子 ･････････････････････････････････････････････････････････････････45

3―1―1　原子どうしを結び付ける力 ･･･････････････････････････････････････････････45

3―1―2　共有結合 ･････････････････････････････････････････････････････････････････47

3―1―3　分子の構造と分子ができる機構 ･･･････････････････････････････････････････49

3―1―4　混成軌道と二重結合 ･三重結合 ･･･････････････････････････････････････････51

3―1―5　共有結合以外の化学結合（イオン結合，金属結合，配位結合） ･･････････････53

目　　　次　5

ドリル問題　3―1 ･････････････････････････････････････････････････････････････････58

3-2 分子間に働く力（分子間力） ･････････････････････････････････････････････････････59

3―2―1　極性と双極子モーメント ･････････････････････････････････････････････････59

3―2―2　極性と電気陰性度 ････････････････････････････････････････････････････････60

3―2―3　水素結合とファンデルワールス力 ･････････････････････････････････････････62

3―2―4　化学結合と原子の大きさ ･････････････････････････････････････････････････64

ドリル問題　3―2 ･････････････････････････････････････････････････････････････････68

3章 演習問題 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････69

4 気体および溶液の性質 ･･･････････････････････････････････････････････････････････70

4-1 物質の三態 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････70

4―1―1　物質の三態と状態変化 ･･･････････････････････････････････････････････････70

4―1―2　気液平衡と蒸気圧 ････････････････････････････････････････････････････････72

4-2 気体･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････73

4―2―1　圧力とは ･････････････････････････････････････････････････････････････････73

4―2―2　ボイルの法則 ････････････････････････････････････････････････････････････74

4―2―3　熱運動 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････74

4―2―4　シャルルの法則 ･･････････････････････････････････････････････････････････75

4―2―5　ボイル・シャルルの法則 ･････････････････････････････････････････････････76

4―2―6　アボガドロの法則 ････････････････････････････････････････････････････････77

4―2―7　気体の状態方程式 ････････････････････････････････････････････････････････77

4―2―8　混合気体 ･････････････････････････････････････････････････････････････････79

4―2―9　実在気体 ･････････････････････････････････････････････････････････････････80

ドリル問題　4―1，4―2 ･･･････････････････････････････････････････････････････････83

4-3 溶液･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････84

4―3―1　溶解とは ･････････････････････････････････････････････････････････････････84

4―3―2　溶解度 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････87

4―3―3　溶液の濃度 ･･････････････････････････････････････････････････････････････91

4―3―4　溶液の性質 ･･････････････････････････････････････････････････････････････91

ドリル問題　4―3 ･････････････････････････････････････････････････････････････････98

4章 演習問題 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････99

5 エネルギー・エントロピー ･････････････････････････････････････････････････････101

5-1 気体分子の運動とエネルギーの保存 ･･････････････････････････････････････････101

5―1―1　エネルギーと温度 ･･･････････････････････････････････････････････････････101

5―1―2　気体分子の運動 ･････････････････････････････････････････････････････････103

5―1―3　化学反応と衝突 ･････････････････････････････････････････････････････････107

5―1―4　化学反応と状態変化にともなうエネルギー ･･･････････････････････････････109

5―1―5　化学エネルギーと熱エネルギー ･･････････････････････････････････････････111

ドリル問題　5―1 ･･････････････････････････････････････････････････････････114

5-2 エントロピー ･･････････････････････････････････････････････････････････････････115

6　目　　　次

5―2―1　自然現象の変化の方向 ･･････････････････････････････････････････････････115

5―2―2　化学反応の変化の方向 ･･････････････････････････････････････････････････116

5章 演習問題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････118

6 反応の速さと平衡・酸と塩基・酸化還元 ･･･････････････････････････････････119

6-1 反応速度 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････119

6―1―1　化学応の速さ ･･･････････････････････････････････････････････････････････119

6―1―2　反応速度と濃度 ･････････････････････････････････････････････････････････121

6―1―3　反応速度と活性化エネルギー ････････････････････････････････････････････122

6―1―4　化学反応と触媒 ･････････････････････････････････････････････････････････127

6―1―5　素反応と多段階反応 ･････････････････････････････････････････････････････127

ドリル問題　6―1 ････････････････････････････････････････････････････････････････129

6-2 化学平衡 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････130

6―2―1　可逆反応と化学平衡 ･････････････････････････････････････････････････････130

6―2―2　化学平衡の移動 ･････････････････････････････････････････････････････････132

ドリル問題　6―2 ････････････････････････････････････････････････････････････････135

6-3 酸と塩基・中和反応と塩 ･･････････････････････････････････････････････････････136

6―3―1　酸と塩基 ････････････････････････････････････････････････････････････････136

6―3―2　アレニウスの酸塩基の定義 ･･････････････････････････････････････････････136

6―3―3　酸と塩基の強さ ･････････････････････････････････････････････････････････137

6―3―4　濃度と電離度 ･･･････････････････････････････････････････････････････････138

6―3―5　水のイオン積と pH ･･････････････････････････････････････････････････････139

6―3―6　中和と塩の加水分解 ･････････････････････････････････････････････････････140

6―3―7　緩衝液 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････142

6―3―8　塩の溶解平衡 ･･･････････････････････････････････････････････････････････143

ドリル問題　6―3 ････････････････････････････････････････････････････････････････144

6-4 酸化還元反応 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････145

6―4―1　酸化と還元 ･････････････････････････････････････････････････････････････145

6―4―2　酸化・環元の反応式 ･････････････････････････････････････････････････････145

6―4―3　酸化数 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････146

6―4―4　酸化剤と還元剤 ･････････････････････････････････････････････････････････147

6―4―5　金属のイオン化傾向 ･････････････････････････････････････････････････････150

6―4―6　電池――酸化還元反応とエネルギー―― ･･･････････････････････････････････151

6―4―7　電気分解――電気エネルギーと酸化還元―― ･･････････････････････････････155

ドリル問題　6―4 ････････････････････････････････････････････････････････････････158

6章 演習問題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････159

7 無機化学と無機材料 ･････････････････････････････････････････････････････････････161

7-1 元素の分類および典型元素の金属 ･････････････････････････････････････････････161

7―1―1　無機化学とは ･･･････････････････････････････････････････････････････････161

7―1―2　典型元素と遷移元素 ･････････････････････････････････････････････････････161

目　　　次　7

7―1―3　金属元素と非金属元素 ･･････････････････････････････････････････････････163

7―1―4　1族（アルカリ金属元素とその化合物） ･･･････････････････････････････････163

7―1―5　2族（アルカリ土類金属元素とその化合物） ･･･････････････････････････････166

7―1―6　12族（亜鉛，水銀の単体とその化合物） ･･････････････････････････････････169

7―1―7　13族（アルミニウムの単体とその化合物） ････････････････････････････････169

7―1―8　14族（スズ族元素とその化合物） ･････････････････････････････････････････171

ドリル問題　7―1 ････････････････････････････････････････････････････････････････172

7-2 遷移元素の金属 ････････････････････････････････････････････････････････････････173

7―2―1　6族（クロム族元素とその化合物） ････････････････････････････････････････173

7―2―2　7族（マンガンとその化合物） ････････････････････････････････････････････173

7―2―3　8族（鉄とその化合物） ･･･････････････････････････････････････････････････174

7―2―4　9族（コバルトとその化合物） ････････････････････････････････････････････176

7―2―5　10族（ニッケルとその化合物） ･･･････････････････････････････････････････176

7―2―6　11族（銅族元素とその化合物） ･･･････････････････････････････････････････176

ドリル問題　7―2 ････････････････････････････････････････････････････････････････178

7-3 非金属元素 ････････････････････････････････････････････････････････････････････179

7―3―1　水素とその化学的性質 ･･････････････････････････････････････････････････179

7―3―2　14族（炭素族元素とその化合物） ･････････････････････････････････････････180

7―3―3　15族（窒素族元素とその化合物） ･････････････････････････････････････････183

7―3―4　16族（酸素族元素とその化合物） ･････････････････････････････････････････186

7―3―5　17族（ハロゲン元素とその化合物） ･･････････････････････････････････････188

7―3―6　18族（希ガス元素とその性質） ･･･････････････････････････････････････････191

ドリル問題　7―3 ････････････････････････････････････････････････････････････････191

7-4 無機材料および炭素材料～身のまわりにも多く使われる先端材料 ････････････193

7―4―1　無機材料とは ･･･････････････････････････････････････････････････････････193

7―4―2　各種無機材料の例 ･･･････････････････････････････････････････････････････194

7章 演習問題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････199

8 有機化学と身のまわりの物質 ･･････････････････････････････････････････････････200

8-1 有機化合物の定義，分類，構造，命名法 ･･････････････････････････････････････200

8―1―1　身のまわりの有機化合物 ････････････････････････････････････････････････200

8―1―2　有機化合物の定義，性質 ････････････････････････････････････････････････200

8―1―3　有機化合物の分類と官能基 ･･････････････････････････････････････････････202

8―1―4　有機化合物の構造式の決定 ･･････････････････････････････････････････････204

8―1―5　有機化合物の命名法 ･････････････････････････････････････････････････････207

ドリル問題　8―1 ････････････････････････････････････････････････････････････････214

8-2 基本的な有機化合物と反応 ････････････････････････････････････････････････････215

8―2―1　単結合で鎖状の炭化水素：アルカン ･････････････････････････････････････215

8―2―2　単結合で環状の炭化水素：シクロアルカン ･･･････････････････････････････215

8―2―3　二重結合を持つ鎖状の炭化水素：アルケン ･･･････････････････････････････216

8―2―4　三重結合を持つ炭化水素：アルキン ･････････････････････････････････････217

8　目　　　次

8―2―5　二重結合を持つ環状の炭化水素：芳香族炭化水素 ････････････････････････218

8―2―6　アルコール ･････････････････････････････････････････････････････････････220

8―2―7　フェノール ･････････････････････････････････････････････････････････････223

8―2―8　エーテル ････････････････････････････････････････････････････････････････224

8―2―9　アルデヒドとケトン ･････････････････････････････････････････････････････225

8―2―10　カルボン酸とエステル ･････････････････････････････････････････････････226

8―2―11　その他の有機化合物（アミン） ･･･････････････････････････････････････････229

ドリル問題　8―2 ････････････････････････････････････････････････････････････････231

8章 演習問題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････232

9 付録：2章の発展的内容 ････････････････････････････････････････････････････････234

9-1 ボーアの原子モデル ･･･････････････････････････････････････････････････････････234

9―1―1　はじめに：2―1―3 の補足 ････････････････････････････････････････････････234

9―1―2　ボーアの原子モデルのくわしい説明 ･････････････････････････････････････234

9-2 電子の波動性と電子軌道（物質の二重性） ･･････････････････････････････････････236

9―2―1　はじめに：2―2―1 の補足 ････････････････････････････････････････････････236

9―2―2　ド・ブロイ波（物質波） ･･････････････････････････････････････････････････237

9―2―3　ハイゼンベルグの不確定性原理 ･･････････････････････････････････････････238

9―2―4　シュレーディンガー方程式 ･･････････････････････････････････････････････239

9-3 モーズリーの法則 ･････････････････････････････････････････････････････････････243

9―3―1　はじめに：2―1―2 の補足 ････････････････････････････････････････････････243

9―3―2　モーズリーの法則 ･･･････････････････････････････････････････････････････243

9章 演習問題 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････245

計算問題の解答 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････246

索引 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････250

1―1　まずはおさえておきたい化学の基礎　9

1 はじめに

1 1 1 物質は原子・分子からできている

　化学は，目で見ることのできない原子1や分子2を基本にして物質の

構造や性質を考える学問であるから，一般にはなじみにくく感じられる

かもしれない。しかし，生命体，環境物質から先端材料まで，実際に対

象となる物質はすべて原子や分子の集合体であり，私たちの社会や生活

のあらゆるものが「化学」の対象となる。

　私たちが存在している宇宙を構成する元素3は，そのほとんどが水素

とヘリウムである。しかし地球は重力が小さいため，軽い元素である水

素やヘリウムをほとんど含まず，恒星での核融合反応により生まれたさ

まざまな元素から構成されている（表紙裏の周期表参照）。46億年前の

地球誕生後，有機化合物の化学進化を経て 30数億年前に誕生した生命

は，現在のヒトにまで生物進化してきた。私たちヒトも含めた生命は，

その主要成分が水（60～80％）であり，生命において水の役割がいかに大

きいかがわかる。体を構成する成分元素では，水分子の水素と酸素以外

に，炭素と窒素の割合が多いことが生命体の特徴である。また，生命の

維持のためには，数多くの微量元素の存在とその役割が必要である。

　生命を構成する炭素 C，水素 H，酸素 Oや窒素 Nなどの原子は，さ

まざまな化学結合により，タンパク質，脂肪，糖類，ビタミンやホルモ

ンなどの分子となり4，生体中においてさまざまな重要な役割を果たし

ている。このように，私たち人間も「化学物質」から構成されており，

1 原子物質を構成する基本的な粒子。くわしくは 1 ―1 ―2項あるいは p. 26参照。

2 分子いくつかの原子が結合した粒子。くわしくは 1 ―1 ―2項あるいは p. 47参照。

3 元素元素とは，同じ原子番号を持つ「原子の種類」のことで，それぞれ元素記号で表す。

4 単体と化合物炭素（グラファイトやダイヤモンド）や水素分子や酸素分子のように，1種類の元素からなる物質を単体という。また，水，タンパク質や脂肪や糖類など，2種類以上の元素からなる物質を化合物という。

1 1 まずはおさえておきたい化学の基礎

図 1―1　あらゆる物質は原子（元素）からできている

原子

10　第 1章　はじめに

その化学反応により生命をつないでいるのである。

　私たちのまわりには，空気，水，土壌，動物・植物や住宅，衣服，食

品，電化製品，自動車，文具などのさまざまな物質が存在している。自

然界から単離5・同定6されてきた物質に加えて，人類の科学技術の発

展により自然界には存在しない物質も数多く合成されている。その数は

年々増加し，現在，6400万種類もの物質が知られている。

1 1 2 原子と分子

　物質の成分は何かということをとことん探っていくと，極めて小さな

原子という粒子にたどりつく。原子の大きさは 100億分の 1メートル（1

×10－10 m）くらいの大きさであり，その質量は元素7により異なる。た

とえば水素原子 1つの質量は 1 .674×10－27 kgと非常に小さく，最も大

きな原子でもそれよりせいぜい 2桁程度大きいにすぎない。

　実際の物質は，いくつかの原子がさまざまな化学結合をした分子や化

合物からなっており，その構造に応じた物理的性質や化学的性質を示

す。たとえば，水は，酸素原子 1つと水素原子 2つが結合した粒子であ

る「水分子」を構成単位としている。分子は，元素記号と原子数を用い

て表され，その式を分子式という。分子式は，その原子数を元素記号の

右下に添えて表す。水の分子式は H2O，酸素は O2，二酸化炭素は CO2，

メタンは CH4と表される。

　塩化ナトリウムは，ナトリウムイオン8Na＋と塩化物イオン Cl－が静

電的な引力で引き合い（イオン結合，p. 54），それぞれのイオン成分は

1：1の割合でイオン結晶と言われる物質を構成している。イオン結晶

では，分子は存在しないが9，その成分となっているイオンの種類と割

合を示す組成式で表す。塩化ナトリウムの組成式は NaCl，炭酸カルシ

ウムは CaCO3と表される。

5 単離多くの混合物の中から，純粋な 1つの物質として分けること。

6 同定単離した物質が，どのような物質であるかを明らかにすること。

7「原子」と「元素」の違い「原子」は粒子そのものを述べるときに使う言葉である。「元素」とは，ある特定の原子番号を有する原子の集まりを表す言葉であり，周期表（表紙裏を参照）で見られるように現在では 100以上の元素が知られている。なお，同一元素に属していても，質量が異なる原子がある。これを同位体というが，くわしくは 2 ―1 ―2項で述べる。

8 イオンイオンについては p. 54も参照。

9 イオン結晶に分子が存在しない理由陰（－：マイナス）イオンと陽（＋：プラス）イオンが電気的な引力で結合しているため，たとえば Na＋のまわりにいくつか Cl－が配置されており，特定の Na＋と Cl－のペアを区別できない。そのため，「分子は存在せず」原子数の割合で組成を表す（組成式）。

（a）宇宙 （b）地球 （c）ヒト

その他2.3％

その他9％

その他3.4％

窒素5.2％

水素9.2％

炭素19.5％ 酸素

62.6％

ヘリウム23.2％

カルシウム3.6％鉄5％

アルミニウム8.1％

ケイ素27.7％

酸素46.6％水素

74.5％

図 1―2　宇宙，地球，ヒトを構成する元素の存在比

1―1　まずはおさえておきたい化学の基礎　11

1 1 3 化学反応

≪状態変化≫　一定の分子や化合物から構成されているある物質が，液

体になったり気体になったりした場合には，分子が変化しているのだろ

うか。

　水は，液体の水を加熱すると蒸発して気体の水蒸気になったり，冷却

すると固体の氷になったりするが，それらはすべて化学式 H2Oで表さ

れ，水分子としては何も変化していない。この変化を物理変化あるいは

状態変化という（4 ―1節参照）。

≪化学反応と化学反応式≫　物質は，さらに別の物質に変化することが

ある。これを化学変化または化学反応という。たとえば，水素 H2と酸

素 O2の化学反応により，水 H2Oが生成する。こういった化学反応を表

した式を化学反応式という。

　　　　　　　　　＋　　　　　　　　　　　　　 （1―1）

　ここで，H2や H2Oの前に 2という「係数」が付いているが，左辺と

右辺で，それぞれの原子数が等しくなり，かつ，最も簡単な整数比にな

るように付けられている。このことは，反応の前後で質量が変化しない

ことを意味している。これはフランスのラボアジエ（A. Lavoisier）によ

り発見され，質量保存の法則という。

水素分子が2つという意味の係数

水素分子（水素原子 2つ）

2 H2

酸素分子（酸素原子 2つ）

O2 ――→――

反応が左から右へ起きたという矢印

水分子が 2つという意味の係数

―　　　2 H2O―

水分子

化学式

　分子式，組成式の他にもイオンを表すイオン式，分子の構造を表す

構造式があり，これらをまとめて化学式という。それぞれの見方を以

下に示す。

化学式

図 1―3　化学式

H2O

（a）分子式元素（原子の種類）

構成原子の数（1は省略）

NaCl

CaCl2

（b）組成式塩化ナトリウムイオンの種類塩化カルシウムイオンの割合（1：2）

Al

Fe

＋のイオン（Na，Ca）を先に書き，－のイオン（Cl）を後に書く。読むときは，－のイオンが先で（塩化），＋のイオンを後に読む（ナトリウム，カルシウム）。

Mg2＋

Cl－

（c）イオン式イオンの価数（1は省略）電荷の種類

（d）構造式H H

O C ON N

水素

二酸化炭素

窒素価標（結合の数）

アルミニウム金属は元素記号をそのまま使って表す鉄

――

12　第 1章　はじめに

≪酸化還元反応≫　なお，式 1―1の反応は，水素 H2が酸素と化合した

ことから，水素は「酸化された」という。酸素 O2は水素と化合し，一

つの酸素原子 Oから見ると酸素を失っているので，酸素は「還元され

た」という。このように酸化と還元は一つの反応で同時に起きている

（酸化還元反応）。酸化還元反応は，化学ではよく出てくる重要な反応で

ある10。

≪酸と塩基の反応≫　また，身近な反応として，炭酸ガス（二酸化炭素

CO2）が温浴効果を高めることを利用した入浴剤　について見てみよう。

これは，錠剤を水に溶かすことにより，その成分の有機酸（フマル酸，

構造式 HOOCHC＝CHCOOH）と 重じゅう

曹そう

（炭酸水素ナトリウム NaHCO3）

が徐々に反応し，CO2ガス　を発生するのである。この反応は，酸と塩

基の反応で，中和反応という。

HOOCHC　CHCOOH＋

――→　HOOCHC　CHCOONa＋ H2O＋ CO2↑　 （1―2）

　ここで酸とは，水に溶けたときに「酸っぱい」，「青色のリトマス試験

紙を赤く変色する」や「亜鉛などの金属と反応し水素ガスを発生する」

などの性質を持っている物質のことである。塩基とは，「苦い」，「酸と

反応して酸性を打ち消す（中和）」，「赤色のリトマス試験紙を青く変色す

る」や「強塩基は手に付くとぬるぬるする」などの性質を持っている物

質のことである　。

11

12

酸

＝塩基

NaHCO3酸

＝13

14

　メタノール CH3OHを燃焼すると，二酸化炭素と水が生成した。この化学変化を化学反応式で表せ。なお，「燃焼する」とは，ここでは酸化して熱を発する現象と考えてよい。（略解）　化学反応は次のように表される。

xCH3OH＋ yO2　――→　zCO2＋ wH2O

　ここで係数を決定するために，左辺と右辺の炭素，水素，酸素の原子の数が等しくなるにはどうすればよいのかを考える。すると，　炭素の数　　x＝z

　水素の数　　4x＝2w　――→　2x＝w　酸素の数　　x＋2y＝2z＋wの関係が成り立つ。仮に x＝1とすると，z＝1，w＝2から，y

＝1 .5となる。最も簡単な整数比にすると，x：y：z：w＝1：1 .5：1：2＝ 2：3：2：4となる。　よって化学反応式は次のようになる。

2 CH3OH＋ 3 O2　――→　2 CO2＋ 4 H2O

例題

10 酸化と還元酸化還元の定義には，他にも水素や電子のやり取りによるものなどがあるが，くわしくは 6 ―4節で述べる。ここでは，酸素と化合すると「酸化された」，酸素を失うと「還元された」としておく。7 ―1

節の注 7，注 8も参照。

　 炭酸ガス系入浴剤炭酸ナトリウムや重曹（炭酸水素ナトリウム）とフマル酸，コハク酸，リンゴ酸を組み合わせた錠剤。手作り入浴剤には，入手しやすさからクエン酸が利用されている。

　 CO2 が水に溶ける割合CO2 は，水に溶けて炭酸（H2CO3）を生成するが，CO2は， 水 1 L（1 L＝1000 mL＝0 .001 m3）に 0 .87 L（0°C，大気圧）溶ける。この水 1 Lに溶ける割合（この場合は体積）を溶解度という。水中の CO2が多くなると，CO2が水に溶けきらず，ガスが発生する。　H2O＋ CO2　　　　H2CO3　　　　H＋ ＋ HCO3－

　　　　2 H＋ ＋ CO32－

　「↑」の記号反応式中の「↑」は，「ガスの発生」を意味する。

11

12

――→←――

――→←――

――→←――

13

1―1　まずはおさえておきたい化学の基礎　13

　その性質を実際に表す物質は，酸では水素イオン H＋　，塩基では水

酸化物イオン OH－である。

　たとえば，酸として塩化水素 HClや酢酸 CH3COOHの水溶液（塩酸や

食酢）中では，

HCl　――→　H＋ ＋ Cl－ （1―3）

CH3COOH　――→　H＋ ＋ CH3COO－ （1―4）

というように，HCl分子や CH3COOH分子の一部が，水素イオン H＋と

塩化物イオン Cl－や酢酸イオン CH3COO－という形に，電荷を持ったイ

オンの形に分離して存在している。

≪ pH　≫　水溶液中での水素イオンの濃度［H＋］を逆数にして常用対数

をとったものが pH（水素イオン指数）である　。pHが 7（pH＝7）のとき

中性，pHが 7より小さい（pH＜7）とき酸性，pHが 7より大きい（pH＞

7）とき塩基性という。炭酸ガスを溶かしている雨水は pH 5～6を示し，

それよりも pHが低い雨を「酸性雨」と呼んでいる。レモンや食酢の

pHは約 3であり，塩酸を主成分とする胃液は pH 1と酸性を示し，

「酸っぱい」ことがわかる。

　塩基の代表的なものは

NaOH　――→　Na＋ ＋ OH－ （1―5）

NH3＋ H2O　――→　NH4＋ ＋ OH－ （1―6）

のように水溶液中において水酸化物イオンOH－を生じる。このOH－は，

酸との反応で

OH－ ＋ H＋　――→　H2O （1―7）

のように水 H2Oを生じる。これが中和の意味である。

1 1 4 化学で使う単位とモルの概念

≪国際単位系≫　「化学」を考えるときに，その「量」（物理量という）

が必要となる。質量や体積などは，数値に単位をかけて表す。

物理量＝数値×単位 （1―8）

　たとえば，水素 1 .00 molの質量はm＝2 .02 g，体積は 0°C，1気圧で

15

16

17

　pH 7の純水中で H＋（あるいは OH－）を生じる水分子は全体の何％か。なお，純水 1 L

リットル

は 55 .6 molとして計算せよ（「mol」については，次の 1 ―1 ―4項を参照）。（略解）　pH 7の純水中で H＋の濃度は［H＋］＝10－7 mol/Lである。純水 1 Lは 55 .6 molであるので，この中の 10－7 molの水分子が電離している。よって，（10－7 mol/55 .6 mol）×100＝1 .8×10－7％の水分子がイオンに電離している。

例題

　 酸と塩基の定義酸と塩基の定義には歴史的にみて 3つあり，①が一番狭い意味の定義，③が広く一般的な定義になっている。①アレニウスの定義　酸とは，水溶液中で水素イオン H＋を生じる物質。　塩基とは，水溶液中で水酸化物イオン OH－を生じる物質。②ブレンステッドの定義　酸とは，塩基に水素イオンH＋を与えることのできる物質。　塩基とは，水素イオン H＋

と結合することのできる物質。③ルイスの定義　酸とは，電子対を受け取ることのできる物質。　塩基とは，電子対を与えることのできる物質。

　 水素イオンH＋は，水溶液中では水 H2Oと結合して，オキソニウムイオン H3O＋として存在しているが，H＋として表すことが多い。

　 純水の水素イオン濃度純水 H2Oは，25°Cで 1 Lあたり 10－7 mol の H＋と OH－

に電離している。　　H2O　――→　H＋ ＋ OH－

純水の水素イオン濃度は，［H＋］＝10－7 mol/L で あ り，このときの純水の pHは pH＝－log10［H＋］＝7 となり中性である。この中に H＋を解離する物質（酸）を溶かすと，［H＋］は増加し，［OH－］は減少して pH＜7となり，酸性を示す。また，OH－を解離する物質（塩基）を溶かすと，［H＋］は減少し，［OH－］は増加して pH＞7となり，塩基性を示す。

14

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14　第 1章　はじめに

V＝22 .4 Lなどと表される。

　物理量を表すのに，今までにさまざまな単位が用いられていたが，

1960年に国際度量衡総会で決議された国際単位系（Sエス

Iアイ

）に統一され，科

学および工学のあらゆる分野でのこの単位系の使用が勧告された。SI

単位系は表 1―1に示す 7つの基本単位と表 1―2の誘導単位（基本単位か

ら組み立てられる）から構成されている。さらに，大きな物理量や小さ

な物理量を表すために，表 1―3のような接頭語も使われる。

≪原子量・分子量≫　SI単位の中で物質量（モル：mol）は，化学では重

要な単位であるが，その説明の前に学んでおきたいことがある。

　炭素原子 12C　一つの質量は 1 .993×10－26 kgであるが，私たちの感覚

からすると小さすぎてわかりにくい。ここで，

18

　 質量数12Cの「12」は質量数を表す。質量数は，原子核中の陽子の数と中性子の数を足したものである。12Cの場合は，「陽子数 6＋中性子数 6＝質量数12」である。

　 原子量たとえば，炭素には 12C（存在比 98 .889％）と 13C（存在比1 .111％）の 2種類の同位体がある。そこで，これらの「質量数×存在比」の平均を取ると，炭素の原子量は「12 .01」となる（周期表を参照）。原子量の基準は「質量数 12の炭素」だが，このことと原子量の値を混同してはならない。また，炭素のように「存在比の大きい安定な同位体」がある元素では，原子量の値は，「存在比の大きい同位体の質量数」にほぼ近くなる。

18

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物理量 量の記号（例） SI単位の名称と記号

長さ l，s メートル　　　m

質量 m キログラム　　kg

時間 t 秒　　　　　　s

電流 I アンペア　　　A

熱力学的温度 T ケルビン　　　K

物質量 n モル　　　　　mol

光度 Iv カンデラ　　　cd

表 1―1　SI基本単位（国際単位系）

物理量 SI単位と記号 誘導単位

力 ニュートン　N kgms－2

圧力 パスカル　　Pa kgm－1s－2（＝Nm－2）

エネルギー ジュール　　J kgm2s－2（＝Nm＝Pam3）

仕事率 ワット　　　W kgm2s－3（＝Js－1）

電荷 クーロン　　C As

電位差 ボルト　　　V kgm2s－3A－1（＝JA－1s－1）

周波数 ヘルツ　　　Hz s－1

表 1―2　代表的な SI誘導単位の名称と記号

倍数 接頭語 記号 倍数 接頭語 記号

1024 ヨタ（yotta） Y 10－1 デシ（desi） d

1021 ゼタ（zetta） Z 10－2 センチ（centi） c

1018 エクサ（exa） E 10－3 ミリ（milli） m

1015 ペタ（peta） P 10－6 マイクロ（micro） μ

1012 テラ（tera） T 10－9 ナノ（nano） n

109 ギガ（giga） G 10－12 ピコ（pico） p

106 メガ（mega） M 10－15 フェムト（femto） f

103 キロ（kilo） k 10－18 アト（ato） a

102 ヘクト（hecto） h 10－21 ゼプト（zepto） z

10 デカ（deca） d 10－24 ヨクト（yocto） y

表 1―3　SI で使う接頭語

　 水素イオン濃度と pH の関係水素イオン濃度［H＋］：mol/L，pH＝－log10［H＋］

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