文責:いっそう、ちくわぶ
※この記事は主に高校生を対象として書いています
化学基礎で初めて出てくる「電気陰性度」。なんとなく「周期表の右上にいくほど高くなる」とは覚えたものの正直なんでこれやってるの?という方も多いのではないでしょうか?
本記事では電気陰性度について、その有用性やその後の化学の勉強にどう役立つかを含め解説していこうと思います。少し長くはなりますが、どうぞ最後までお付き合いください。
(なお、本記事は発展的な内容も一部含みます。そういったところでは発展的であることを明記しますので、もし難しいようでしたら適宜読み飛ばしていただいて構いません。本記事の内容を理解し、余裕が出てきてから再度チャレンジされることをおすすめします。何も1回で全てを理解する必要はないのです。)
電気陰性度とは――introduction
電気陰性度の概念を1932年に初めて提唱したアメリカの化学者Linus Paling(ライナス・ポーリング)先生は、電気陰性度について的確かつ完結に説明しています。
“the power of an atom in a molecule to attract electrons to itself.”
すなわち、「(電気陰性度とは)分子内の原子が電子を引きつける力」ということです(以降、本記事で「電気陰性度の定義」と言ったときにはこの説明のことを指します)。どういうことなのでしょうか。詳しく見ていきましょう。
提唱者ライナス・ポーリング氏によると、電気陰性度とは分子内の原子が電子を引きつける力である。
なぜ電気陰性度を考えるか
一般的に化学反応では化学結合が変化しています。例えば、AB+CD→AC+BDといった具合に、分子AB、CDの結合は一度切れ、AC、BDのように新たな結合の分子が誕生します。ただ、どんな結合も全て等しい確率で結ばれ、または切れるのでしょうか?
これまでに化学に触れたことのある方なら、「経験則的にそんなことはない」とわかるはずです。そうでない方には驚きの事実かもしれませんが、化学結合の中には“しやすい”ものと“しやすくない”ものが存在します。AB+CD → AC+BD の反応はあり得るけれど、AB+CD → AD + BC の反応はほぼあり得ないくらいに起こる確率が低い、ということが長年の観測と実験が示している厳然たる事実なのです。
水酸化ナトリウムNaOHと塩化水素HClを化合させたとき、 NaOH + HCl → NaCl + H₂O の反応の方が NaOH + HCl → NaH + ClOH より圧倒的に起こりやすい。これは、先に述べた「結合にも起こりやすいものと起こりにくいものがある」という事実を裏付ける一つの証拠である。
さて、では一体どうしてこのようなことが起こるのでしょうか。答えは、原子の構造にあります。中学校の理科で学習したとおり、原子は原子核、電子という2種類の要素でできています。さらに原子核は陽子、中性子の2種類で構成されています。(図1)
(図1)
ところで、陽子、電子には電荷というものが存在します。陽子は+1、電子は-1の電荷をもっています。ちなみに中性子は電荷を持ちません。
+や-の後に付く数字は一旦置いといて、+や-は、まるで磁石のN極やS極のように、+同士、-同士は反発し、+と-は引き合う性質を持っています※1。言い換えると、符号が同じもの同士の間には斥力(反発しあう相互作用)が、符号の異なるもの同士の間には引力(誘引しあう相互作用)が生じるということです。
ということは、極端に言うならば、化学反応について考える際―究極的には化学結合について考える際―本来はいちいち一つ一つの陽子や電子について物理学的な式を立て、それぞれの粒子にどんなクーロン力が働くかを計算しなければならないのです。新しい反応や、物質についてその性質を知ろうと思っても、予測するのは困難を極めるでしょう。ここまで聞くと今後化学と向き合う勇気がなくなってくるでしょう。しかし、この状況を打開する一筋の光こそ、「電気陰性度」なのです。電気陰性度の定義を再度おさらいすると、電気陰性度は「原子が電子を引きつける力」でした。原子中にはもちろん電子も含まれるため、本当は陽子が電子を引き付ける力と、原子中の電子と引き付けようとしている電子との反発しあう力を考慮しなければなりません。では、電気陰性度を用いるとどのような嬉しいことがあるのでしょうか。
化学結合にはクーロン力が影響しており、本来は複雑な方程式を解かないと化学反応について予測するのは難しい。ただし、電気陰性度はそのような問題を解消してくれる。
電気陰性度は、クーロン力による結合への影響を経験則によって数値化したものになります。もちろん、経験則なので100%正しいというわけではありませんが、大学以降の化学でも重宝されるほどその精度は高いです。原子固有の電気陰性度がわかれば、単純に電気陰性度を比べただけで原子の性質、分子の性質、ひいては物質の示す性質、特徴までもを知ることができます。これってすごいことじゃありませんか?
電気陰性度はクーロン力による結合への影響をわかりやすく数値化したものであり、化学反応について考察する際に非常に役に立つ。
電気陰性度はギリシア文字χ(読み方はカイ※※1)で表されます。先程より度々登場いただいているポーリング先生ですが、彼が定義した各原子の電気陰性度の値は、ポーリングのpを用いてχpのように表します※2。本記事ではあえて定義式にまでは触れませんが、電気陰性度の意味する値についてさらに理解していただこうと思います。
本題
お待たせいたしました。それでは本題です。ここからは各原子ごとの電気陰性度の値についてお話ししようと思います。結論から申し上げると、高等学校の教科書などにもある通り、電気陰性度は周期表上のどこにその原子があるかである程度大小が比較できます。右上にいけばいくほどその原子の電気陰性度は高くなります。ではどうしてこのようになるのでしょう?ただの偶然?これからじっくり見ていきましょう。
静電相互作用
ここで、改めて静電相互作用について確認をしたいと思います。先程来、力のことを「相互作用」と表現しているのは、2つの物体の内の片方がもう一方に力を及ぼしているというよりは互いに(相互的に)力を及ぼし合っていると考えているからです。つまり、陽子と電子が引き合う時、陽子が電子を引きつけるのと同時に電子もまた陽子を引きつけているのです。
化学結合、化学反応において、静電相互作用がその重要な役割を担っている※3ということはこれまで話してきた通りです。では、電気的な力、すなわちクーロン力はいったいどのような性質を持つのでしょうか。天下り的ではありますが、式から紐解いていきましょう。クーロン力は以下の式によって記述されます(クーロンの法則)※4。
\begin{align}
F = k \frac{Q_1Q_2}{r^2} \mathrm{\,\left[N=kg\cdot ms^{-2}\right]}
\end{align}
細かい話は置いておいて、化学反応を考える際に非常に重要な事実が上の式には含まれています。先に述べた通り、化学反応はクーロン力による作用によって支配されています。上の式はまさしく、2つの物体(もしくは物質)の間にはたらくクーロン力、すなわち静電相互作用がどのようにして発生するのかを示してくれています。式の中で、Fはクーロン力(静電相互作用の正体)、rは2物体間の距離、Q₁、Q₂は2つの物体それぞれの持つ電荷量(陽子ならば+1、電子ならばー1)です。この式を見ると、rは分母、Qは分子にあります。つまり、Fは物体間の距離が大きくなればなるほど小さくなり、電荷量が大きくなればなるほど大きくなるというわけです。より数学的な表現をするならば
\begin{align}
F \propto \frac{1}{r^2}, \; F \propto Q (\proptoは「比例する」の意)
\end{align}
すなわちFは距離rの二乗に反比例し、電荷量Qに比例するのです。
クーロン力Fは、距離に反比例、電荷量に比例して大きくなる。
周期表
さて、お次は周期表についてです。わざわざ「周期」表というのですから、単に原子番号順に元素を並べただけの表ではありません(だいたい番号順に並べるだけなら1次元の数直線的な表でいいでしょう)。いちいち2つの軸をとって2次元の表にしているのには理由があります。なぜなら元素には周期性があるからです。現代的な化学では、これは電子配置によるものだと理解されていますがここでフォーカスしたいのはなぜ周期性があるかよりもその周期性によって元素を分類するとその分類表(つまり元素周期表)はどのような性質をもつかということです。例えば、周期表では左から右に陽子数が1ずつ増えるように元素を並べていますから、右の元素ほど、すなわち族が大きくなるほど陽子数が増えていきます。また、同時に電子数も増えていくのですがいつまでも同じように増えるのではなく、ある決まったタイミングで電子の増え方が変わります。例えば原子番号の1番から、水素H、ヘリウムHe、リチウムLiといったふうに3番までの元素に注目した場合、水素Hから陽子が1つ増えたヘリウムHeに入っている電子は、水素Hに入っている電子同様、陽子にかなり近いところ(K殻)に入りますが、さらに陽子数が1増えたLiでは、K殻よりは陽子から少し遠い位置(L殻)に新たな電子が入るため、原子半径が大きくなります。このように、殻が増えるタイミングで表を改行しているため、周期表は2次元の表になったのです。
さて、先程の話を踏まえると、周期が増えるにつれて(元素周期表を下にいくにつれて)原子半径は大きくなります。改めて電気陰性度の定義に立ち返ると「(電気陰性度とは)分子内の原子が電子を引きつける力」でした。電子を引きつける力、ということは、少なくとも原子内の陽子と、引きつけられる電子との相互作用について考えればよいですね(もちろん、陽子の周りに分布する電子と引きつけられる電子との反発力の考慮も必要ではありますが……)。周期表を下に行けば原子半径が広がります。したがって、原子中の陽子と引きつけられる電子との距離はどんどん離れていきます。3.-2.での話より、距離がひらけば静電相互作用は弱まりますから、電気陰性度は周期表の上の元素ほど大きくなると考えられそうです。また、周期表では原子は左から右に原子番号が増えていきます。左から右に向かって陽子数が増すわけです。陽子が増えていくわけですから原子の+の電荷量も1ずつ増えていきます。こちらも3.-2.での話より、電荷量が増えていけば静電相互作用は強まりますから電気陰性度は周期表の右の元素ほど大きくなると考えられそうです。
周期表では、下にいくほど原子半径は広がり、右にいくほど電荷量は増える。
結論
ここまでの話を合わせて考えることで、有名な次の一般則が導かれるのです。
元素周期表上で右上にある元素ほどその電気陰性度は高くなる。
まとめ
静電相互作用には距離と電荷量が影響してくる。周期表の性質上、右上に位置する元素の電気陰性度が最大となる。ただし、希ガスは除く。
希ガスを除く理由ですが、これは電気陰性度の値の求め方に起因します。本記事では数式的な求め方を省略しましたが、ポーリングの電気陰性度の値は原子と他のある原子との結合を前提とした実験データによって求められます。希ガスは電気的な安定さから、他の原子との結合をすることがほとんどありません。それゆえ、値を算出することが困難となり、電気陰性度を比較するときには除外して考えるのです。そもそも、電気陰性度自体がある原子の他の原子との結びつきの強さを推定したり比較したりする際によく用いられるものであるという性質上、元々結合をつくりにくい希ガスの値がないところで困ることも滅多にないといえばないのです。詳しくはこの記事の続編、「もっと電気陰性度(仮)」にて解説する予定ですのでそちらをお待ちいただくか、「電気陰性度 希ガス 除く理由」とかでググってみて下さい。
※読むと本記事への理解が促進される註)
※1:実際は「+極、-極」と「N極、S極」には共通点もあれどいくつかの相違点もある。実際「電気学」と「磁気学」は今日では「電磁気学」という物理学における1つの領域で扱われるのだが、これは両者がほとんど同じと言って良い程に近い性質を有している上に電気力と磁気力は相互作用するからであり、これらはマクスウェル方程式と呼ばれる一連の方程式によって記述される(表記方法によってはこれらは1本の式にまとめられる!)。一方で、「単極子の存在」という点においては“今のところ”電気と磁気は異なっている。単極子とは、わき出し吸い込みを伴う点で、電気においては荷電粒子がこれにあたる。陽子、電子などはまさに荷電粒子であり、これらはそれぞれわき出しを伴う+の電場、吸い込みを伴う-の電場をつくりだす。一方で、磁気にはこのようにN極のみ、S極のみをもつものは見つかっていない。気になるなら、棒磁石を用意(今時は百均でも簡単に手に入る時代だ)すれば納得がいくだろう。新品の棒磁石は片方がN極、もう片方がS極になっている。これを2つに割ってみて欲しい。すると、やはり片方がN極、もう片方がS極となる。この操作を繰り返しても、これらをハンマーで粉砕するなりなんなりして粉々にしても、必ずそこにはN極とS極が存在する。「N極だけ」や「S極だけ」の磁石というのは見つかっていないのだ。よって、電気には単極子があるが、磁気には単極子が今のところ見つかっていないという点で、これらは若干の相違点があるといえる。ただ、“今のところ見つかっていない”というのは今後見つかる可能性もあるということだ。今後の更なる物理学の発展に期待は膨らむばかりだ。
※2:ポーリングの他にも電気陰性度を定義した化学者は複数人いる。χMはRobert Mulliken(ロバート・マリケン)による「マリケンの電気陰性度」、χARはAlbert Allred(アルバート・オールレッド)とEugene Rochow(ユージーン・ロコウ)による「オールレッド・ロコウの電気陰性度」のように、いくつかの定義の仕方がある。それぞれ値の算出方法が異なりーすなわち実測値との近似の方法が変わるわけだがー何を重視した値を得たいかによって使用する電気陰性度を変えることもある。しかし、ほとんどどの元素でも考えることが出来、おおむね精度が担保されているという“使いやすい”電気陰性度はポーリングによるものであるため、現在ではポーリングの電気陰性度の値が最も頻繁に用いられている。
※3:電気的な引力、斥力によって反応や結合が支配されていると聞いて次のような鋭い疑問を抱いた読者もいるのではないだろうか。1つ目は共有結合のメカニズムについてだ。電子同士の反発力を考えるのであれば、電子同士を共有して結合を形成するなどどうしてできるのだろうかというのは至極当然な疑問である。実際、この答えは大学で化学をやるまで登場しないであろう電子の「スピン」というものがキーを握っている。ここで深入りはしないが、電子は「スピン」という角運動量を有しており、これが、その向きの違いによって2種類ある(それぞれαスピン、βスピンという)。この2種類のスピンが存在するというのがキーとなるのだが、この話を始めると長くなりすぎてしまうため、今後我々の出す予定の記事である「フントとパウリ(仮)」にこの続きは託したい。また、記事をお待ちいただく他に好奇心旺盛な読者の探求心を満たす方法として、是非ググってみるということを推奨したい。「フントの規則」、「パウリの排他原理」などがキーワードとなるだろうか。「フントの規則 簡単に」「パウリの排他原理 詳しく」などでググってほしい。また、仮にググって分からなくてもどうか落ち込まないでほしい。とにかく、まずはここまで発展的かつ純粋で本質的な疑問を抱いた自分を褒めてあげてほしい。2つ目は原子核の構造についてだ。+同士は反発するというのであれば、原子核中において陽子同士がくっついて存在するのは奇妙に思える。これも実はかなり発展的な疑問で、我々もそのうち別記事で取り扱う予定ではあるのだが、雑にいうと、クーロン力を超える強い力によって陽子同士が引き合っているため、とでも表現できようか。今後の我々の記事をお待ちいただくか「核力(強い力)(強い相互作用)」についてググってみると若干の理解を深められるのではないだろうか。検索ワードは「核力 陽子」などでどうだろうか。こちらも分からなかったとて気に病むことはない。現代的な研究というのは、それだけ高度なことをしているのだ。
※4:上に示した式では力がスカラー量になっているが、より現代物理学に近い視点では普通、\(\;\mathbb{F}=k \frac{Q_1 Q_2 (\mathbb{r})}{|\mathbb{r}|^3}\;\)のように、ベクトルを用いて表記する。スカラー、ベクトルという言葉の使い方がわからない人向けに軽く説明しておくと、スカラーは「大きさ」のみの量(スカラー(scalar)はスケール(scale)と同じ語源をもつ)、ベクトルは「大きさ」と「向き」を持つ量である。例えば、「速さ」はスカラー、「速度」はベクトルなのだが、速度と言った時にはどの向き(東へ、北へ、など)への速さなのかということまで表現していることになる。
※※:読まなくても特に困らないであろう註)
※※1:χはギリシア文字の第22字で、実際には無声口蓋垂摩擦音で発音される。(「カ」の音と「ハ」の音を同時に出すようなイメージ)。あえてラテン文字のアルファベットでその発音を転写するとしたら[khi]や[chi]となるだろうか。クリスマス(Xmas)のXはキリストχριστόςの頭文字がΧ(χの大文字)であったことに由来する。思えばキリストも英語ではchristと綴る。同じ発音の文字として、例えばアラビア文字のخがあるが、これはخليفة(アラビア語で「後継者」の意。またイスラームの最高権威者の称号。日本語ではカリフ、またはハリーファと呼ばれる。同じ音に対して「カ」「ハ」と2パターンのカタカナが充てられていることからも無声口蓋垂摩擦音の特徴がよくわかる。)の頭文字である。
化学英単語集
電気陰性度 | electronegativity |
元素周期表 | periodic table |
化学者 | chemists |
原子 | atom |
分子 | molucule |
陽子 | proton |
中性子 | neutron |
電子 | electron |
化学反応 | chemical reaction |
化学結合 | chemical bonds |
水酸化ナトリウム | sodium hydroxide |
塩化水素 | hydrogen chloride |
クーロン力(静電気力) | coulomb force |
クーロンの法則 | Coulomb’s law |
電荷 | electric charge |
電荷量 | amount of charge |
希ガス(貴ガス) | rare gas (noble gas) |
原子半径 | atomic radius |
フントの規則 | Hund’s rules |
パウリの排他原理 | Pauli exclusion principle |
核力 | nuclear force |
スカラー | scalar |
ベクトル | vector |
電磁気学 | electromagnetism |
参考文献
1)吉弘芳郎,“図解 分子の見方・考え方”,オーム社,東京(1984),pp.165-180
2)近藤慶一,“量子力学講義Ⅱ―原子から量子もつれまで―”,共立出版,東京(2023),pp.447-453
3)Weller,M.,Overton,T.,Rourke,J.,& Armstrong,F., 2014, Inorganic Chemistry, Sixth Edition, Oxford: Oxford University Press.(田中勝久, 髙橋雅英, 安部武志, 平尾一之, 北川進, 第1刷2016年,第5刷2022年, 『シュライバー・アトキンス無機化学(上)( 第6版)』,東京化学同人),pp.32-34, 55, 68-69, 325-326
4)Housecroft,C.E. & Sharpe,A.G., 2008, Inorganic Chemistry, Third Edition, Hoboken: Pearson Prentice Hall.(巽和行, 西原寛, 穐田宗隆, 酒井健, 第1刷2012年,第5刷2020年, 『ハウスクロフト 無機化学(上)』,東京化学同人),pp.39-50
5)Atkins,P.W. & de Paula,J., 2012, Elements of Physical Chemistry, Sixth Edition, Oxford: Oxford University Press.(千原秀昭, 稲葉章, 2016, 『アトキンス 物理化学要論(第6版)』,東京化学同人),pp.332-359, 364-378, 515
6)McQuarrie,D.A. & Simon,J.D., 1997, Physical Chemistry: A Molecular Approach, Melville: University Science Books.(千原秀昭, 江口太郎, 齋藤一弥, 第1刷1999年, 第15刷2019年, 『マッカーリ サイモン物理化学(上)―分子論的アプローチ―』,東京化学同人),p.217, 308-312, 327
7)京都大学基礎物理学研究所,“note_SR-12.pdf”,<https://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~norihiro.tanahashi/pdf/SR/note_SR-12.pdf>,2024/06/23
8)京都大学基礎物理学研究所,“note_SR-13.pdf”,<https://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~norihiro.tanahashi/pdf/SR/note_SR-13.pdf>,2024/06/23
9)首都大学東京,“N極・S極だけをもつ磁石・磁気モノポールの発見”,<https://www.tmu.ac.jp/news/topics/4376.html?d=assets/files/download/thesis/press_120227.pdf>,2024/06/25
10)辰巳敬 ほか16名,“改訂版 化学”,数研出版,東京(2021)
11)竹内敬人 ほか20名,“改訂 化学”,東京書籍,東京(2020)
※高等学校用の検定教科書に関しては、入手出来うる限り新しいものを参照した。
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