高校化学基礎 イオン結合—電荷のつり合いからイオンの比を決める｜武蔵野個別指導塾

カルシウムイオンと塩化物イオンの個数比を電荷から導き、結晶の性質へつなげるイオン結合です。

よくあるのは、カルシウムと塩化物の比を同数にして、式を CaCl と書いてしまう場面です。元素記号を1つずつ並べると見た目は整いますが、イオンの電荷を合わせたかどうかは別の問題です。カルシウムイオンと塩化物イオンがそれぞれ何価かを読み、正負の電荷の合計を比べると、必要な個数が見えてきます。式を覚えるときも、その理由まで戻れるようにしましょう。

テストで問われる3つの道筋

1つ目は、陽イオンと陰イオンの式から組成式を作る問題です。各イオンの電荷と個数を掛け、正の電荷の合計と負の電荷の大きさの合計をそろえます。組成式はイオンの個数の最も簡単な整数比を表すので、つり合っていても共通の数で割れるなら縮めます。

2つ目は、組成式からイオンの種類と比を読み取る問題です。式中の小さい数字は、その直前の原子や、かっこで囲まれた多原子イオンの個数に関係します。どこからどこまでが1個のイオンかを区切ってから数えると、かっこの中の原子数とイオン数を混同しにくくなります。

3つ目は、イオン結晶の性質を粒子の動きと結びつける記述問題です。固体と溶融状態を区別し、電荷を運ぶイオンが動けるかを説明します。ここで扱うのはイオン結合とイオン結晶の基本であり、結晶の単位格子の計算には進みません。

引き合う粒子と組成式

陽イオンは正の電荷を、陰イオンは負の電荷をもつ粒子です。反対符号の電荷の間には静電気的な引力が働きます。この引力による結びつきがイオン結合です。イオン結晶では陽イオンと陰イオンが規則的に並び、周囲の反対符号のイオンとも引き合っています。

図1のように、正負のイオンは交互に並ぶ様子を模式的に表せます。図は粒子の並び方を理解するための平面図で、実際の結晶の立体配置やイオンの大きさを正確に描いたものではありません。特定の陽イオンと陰イオンが2個で独立した分子を作るという意味でもありません。

図1の並びを見て、電荷の符号と引力の相手を言葉にしてみましょう。結晶全体は電気的に中性なので、正の電荷の合計と負の電荷の大きさの合計は等しくなります。組成式はこの条件を満たすイオンの最も簡単な整数比を示します。分子1個に含まれる原子の数を表す分子式とは意味が異なります。

イオンの右上の数字と符号は電荷を表し、組成式の右下の数字は個数比を表します。たとえば 2+ のイオンが1個あれば正の電荷は合計 +2 です。1- のイオンなら2個で負の電荷が合計 -2 になり、両者はつり合います。右上の電荷をそのまま右下に移す操作だけを覚えると、約分が必要な場合や多原子イオンで迷いやすくなります。

多原子イオンは複数の原子がまとまって電荷をもつイオンです。組成式で同じ多原子イオンが複数個必要なら、イオン全体をかっこで囲み、その右下に個数を書きます。かっこ内の添字はイオン自体の構成を示すので、電荷を合わせるために書き換えてはいけません。

イオン結晶は一般に硬く、融点が高いものが多いです。多くのイオンが引き合って配列を保っているため、粒子を動かすにはそれらの引力に逆らう必要があります。また、力を加えて層がずれると、同じ符号のイオンどうしが向かい合って反発し、割れやすくなります。硬いことと、割れにくいことは同じではありません。

固体ではイオンは一定の位置のまわりにあり、結晶全体を移動して電荷を運ぶことができません。そのため固体のイオン結晶は電流を通しません。一方、融解して液体になればイオンが移動できるため電流を通します。水に溶けてイオンが自由に動ける場合も電流を通しますが、水への溶けやすさは物質によって異なります。

基本例題：カルシウムと塩化物

問題：カルシウムイオン Ca²⁺ と塩化物イオン Cl⁻ からなる電気的に中性のイオン結晶について、イオンの個数比を最も簡単な整数比で求め、組成式を書いてください。さらに、その比で正負の電荷がつり合うことを示してください。

まず、Ca²⁺ 1個の電荷は +2、Cl⁻ 1個の電荷は -1 です。Ca²⁺ を1個と仮に決めると、正の電荷は次のようになります。

1 × (+2) = +2

これを打ち消す負の電荷は -2 です。Cl⁻ の個数を x 個とすると、負の電荷の合計は x × (-1) なので、次の式を立てます。

+2 + x × (-1) = 0

x = 2

したがって Ca²⁺ と Cl⁻ の個数比は 1 : 2 です。この比は共通の整数で縮められません。陽イオンを先に書き、1は省略するので組成式は CaCl₂ です。図2のように、Ca²⁺ 1個に対して Cl⁻ 2個の電荷を合わせて見ます。

図2の3個を独立した分子として扱うのではなく、結晶中の個数比を確かめる単位として見てください。答えを条件に戻すと、正の電荷は 1 × (+2) = +2、負の電荷は 2 × (-1) = -2 です。合計は 0 なので中性です。1 : 1 とした場合は +2 + (-1) = +1 となり、中性という条件に合いません。

組成式に電荷の符号を残さない理由は、式が中性の物質の組成を示すからです。イオンの式を書く段階では電荷を明記し、組成式ができた後は必要な比を添字で表します。式の書き方が変わっても、もとのイオンが電荷を失うわけではありません。

もう一歩：多原子イオンをまとめて数える

問題：アルミニウムイオン Al³⁺ と硫酸イオン SO₄²⁻ からなる電気的に中性の物質の組成式を求めてください。両イオンの個数比は最も簡単な整数比で示し、式に含まれる各元素の原子数比も整数で答えてください。

Al³⁺ を a 個、SO₄²⁻ を b 個とすると、電荷のつり合いは次のようになります。

3a − 2b = 0

3a = 2b

a : b = 2 : 3

正の電荷を +6、負の電荷を -6 とするのが最も小さい組合せです。よって組成式は Al₂(SO₄)₃ です。硫酸イオンは3個あるので、かっこの右下に3を書きます。S は 1 × 3 = 3、O は 4 × 3 = 12、Al は2です。原子数比 Al : S : O は 2 : 3 : 12 となります。

答えを電荷に戻すと、Al³⁺ 2個で +6、SO₄²⁻ 3個で -6 です。合計は 0 なので条件に合います。ここでの分かれ目は、数えている対象がイオンか原子かです。硫酸イオン3個と酸素原子12個を同じ数として扱わず、かっこ全体に3を掛けてから原子数を出します。

電荷の大きさが同じ場合にも注意します。たとえば 2+ と 2- のイオンなら、1個ずつで電荷が打ち消し合います。2 : 2 も中性ですが、最も簡単な整数比ではありません。電荷を交差させる方法を使う場合も、最後に約分と電荷の再確認が必要です。

間違いを電荷に戻して直す

誤答として CaCl を考えます。原因は、記号を1個ずつ並べた時点で電荷の確認を終えたつもりになることです。図3のように、1 : 1 では合計が +1 です。Cl⁻ をもう1個加えると負の電荷が -2 となり、Ca²⁺ の +2 とつり合います。

図3の修正では、Ca²⁺ の電荷を +1 に変えたり、Cl⁻ の電荷を -2 に変えたりしていません。変えるのはイオンの個数です。イオン自体の式と結晶全体の組成式を別の行に書くと、どちらを変更してよいか見分けられます。

もう1つの誤りは、Al₂SO₄₃ のように多原子イオンを囲まず数字を続けることです。これでは硫酸イオン全体が3個あることを明確に表せません。SO₄ を1個のまとまりとして認識し、(SO₄)₃ と書き直します。かっこの外の数字は、S と O の両方に掛かります。

性質の説明で「溶かすと電子が流れる」とする答えも修正が必要です。イオン結晶の溶融状態では、正負のイオンが移動して電荷を運びます。固体と溶融状態でイオンの移動の可否を比較すれば、状態によって導電性が変わる理由を説明できます。

練習：式と性質を自分で確かめる

次の4問は、それぞれ指定された形で答えてください。電荷は問題に示したイオンの式を使います。

1. マグネシウムイオン Mg²⁺ と窒化物イオン N³⁻ からなる中性の物質について、イオンの個数比を最も簡単な整数比で求め、組成式を書いてください。
2. ナトリウムイオン Na⁺ と炭酸イオン CO₃²⁻ からなる中性の物質について、組成式と、式中の Na、C、O の原子数比を最も簡単な整数比で答えてください。
3. 水酸化物イオン OH⁻ とバリウムイオン Ba²⁺ からなる中性の物質について、組成式と両イオンの個数比を最も簡単な整数比で答えてください。
4. あるイオン結晶は固体では電流を通さず、融解すると通します。この違いを「イオン」「移動」の2語を用いて説明してください。また、硬い結晶が衝撃で割れる理由を、電荷の符号に触れて説明してください。

答えと道筋

1. Mg²⁺ を m 個、N³⁻ を n 個とすると、2m = 3n です。最も簡単な比は m : n = 3 : 2、組成式は Mg₃N₂ です。条件に戻すと、3 × (+2) = +6、2 × (-3) = -6 で合計 0 です。比を縮める共通の整数はありません。

2. Na⁺ は +1、CO₃²⁻ は -2 なので、炭酸イオン1個に対しナトリウムイオン2個が必要です。式は Na₂CO₃、原子数比 Na : C : O は 2 : 1 : 3 です。電荷は 2 × (+1) + 1 × (-2) = 0 に戻ります。酸素の3は炭酸イオン内の原子数で、炭酸イオンの個数ではありません。

3. Ba²⁺ 1個の +2 に対し、OH⁻ 2個で -2 です。式は Ba(OH)₂、Ba²⁺ : OH⁻ = 1 : 2 です。1 × (+2) + 2 × (-1) = 0 と確かめられます。OH のまとまりを2個数えるので、O と H はそれぞれ2個です。

4. 固体ではイオンが結晶内を自由に移動できず、融解すると移動できるためです。固体に力がかかって層がずれると、同符号のイオンが向かい合って反発し、結晶が割れます。電荷を運ぶ粒子と、その粒子が動ける状態かをセットで書けば、観察された違いに戻って説明できます。

持ち帰る要点

• 反対符号のイオンの静電気的な引力がイオン結合です。
• 組成式は中性になるイオンの最も簡単な整数比を表します。
• 多原子イオンが複数あるときは、まとまりをかっこで囲みます。
• 固体と融解した状態では、イオンの移動の可否が異なります。
• 式を作った後は、正負の電荷の合計を計算し直します。

どこで止まったかを見分ける

式が合わないときは、最初にイオンの電荷を読めたか、その次に個数を掛けたか、最後に比を縮めたかの順に見直します。電荷は正しいのに式が違うなら、イオンの個数と原子の個数の区別を確かめます。固体と液体の説明が逆なら、イオンが存在することと移動できることを別々に考えます。

個別指導で確かめるときは、イオンの式を見ながら「1個の電荷」「必要な個数」「合計の電荷」を声に出して説明してみましょう。多原子イオンでは、かっこの内と外の数字がそれぞれ何を数えるかも言葉にします。自分で中性に戻せる組成式は、暗記した記号の並びから意味のある比に変わります。

組成式から逆向きに調べる練習も有効です。まず陽イオンと陰イオンのまとまりを区切り、それぞれの添字を個数比として読みます。次に、別に示されたイオンの電荷を掛け合わせて合計が0になるかを調べます。式が中性でも比が縮められるなら、最も簡単な整数比という条件を満たしていません。

記述問題では、答えの中の理由と結果がつながっているかを点検します。「イオンがあるから電流を通す」では、固体にもイオンがあるため違いを説明できません。「融解するとイオンが移動できるから」と状態と動きを結びつけると、固体との違いが明確です。硬さと割れやすさについても、前者は引力、後者は層がずれた後の反発に注目します。

かっこを使う問題で詰まったら、式を書く前にイオンの名前と個数を横に並べてください。1個の多原子イオンの中の原子数を保ったまま、そのまとまりを必要な個数だけ集めます。書き終えたらかっこを展開して原子数を数え、さらにイオンの個数に戻して電荷を検算します。2方向から読むことで、添字の付け忘れに気づきやすくなります。

問題文にイオンの式が与えられていない場合は、まず習ったイオンの名称と電荷を正しく書けるか確かめます。比の操作が正しくても、出発点の電荷が違えば別の式になります。計算結果だけでなく、最初に書いた符号にも目を戻してください。