物質は人間の目には見えない小さな粒子で構成されており、それらは 原子 y 分子これらは、今日私たちが物質と認識しているものの主要な構成要素です。
前述の粒子は通常 組合結成の手続きに入る これは 化学結合これらは化学によって研究され、私たちの目の前で日々起こっているものの、容易には知覚できない何千もの生物学的および物理的プロセスを理解するために用いられています。これらのプロセスを通して、私たちは世界を形作るほとんどの出来事を理解するようになりました。例えば、水が特定の温度で沸騰する理由、金属がどのようにして強固な構造を形成するのか、あるいは生命を構成する分子がどのように結合しているのか、といったことです。
化学結合とは何ですか？
人間などの生物を含む、世界のすべてのものは、原子と分子で構成されており、それらは、 化学結合すべての生物、さらには不活性なもの（無生物）でさえも物質で構成されており、その構成は化学結合の形成と安定性に依存していることはよく知られている。
簡単に言うと、化学結合とは 彼らを結びつける力 分子内または固体構造内の2つ以上の原子間の力。この力は、 電子移動バイ 電子共有 または存在によって 分散型電子クラウド 金属に見られるように、多数の原子間を自由に移動する粒子。
原子や分子がどのように結合しているかによって、どのような種類の化学結合であるかを判断することができ、最も一般的なものとしては以下のものが挙げられます。 イオン結合、 共有結合性 と メタリックしかし、他のタイプの相互作用も存在します。 水素結合 と ファンデルワールス力これらは、水やタンパク質といった重要な物質の構造を理解する上で不可欠なものである。
化学結合とは 引力 2つ以上の原子が一定時間結合したままになる原因となり、 電子 原子同士の間には、これらの結合が存在する。これらの結合がなければ、原子は孤立したままとなり、私たちが知っているような分子や物質は存在し得ないだろう。
2つの原子間に生じる引力のプロセスはやや複雑ですが、注意深く分析すれば容易に理解できます。知っておくべき主なことは、 核 原子核は正の電荷（陽子）を持ち、そのため互いに反発し合います。しかし、これらの原子核の周囲には 負に帯電した電子電子は一度に複数の原子核に引きつけられることがある。ある原子核と別の原子の電子との間の引力が、原子核間の反発力と釣り合うと、安定した化学結合が形成される。
化学結合のプロセスが発生すると、通常、ほぼ常に、 一部の原子は電子を失います 他の人がそれらを獲得したり、多かれ少なかれ公平に共有したりする一方で、プロセスの最後に、 電気的安定性 そして、その結合を有利にするエネルギーが存在し、結果として生じる物質が硬度、融点、導電率、溶解度などの明確な特性を持つこと。
化学結合の一般的な分類と直感的な見方
高度なレベルでは多くのカテゴリーやサブタイプを確立できますが、基礎教育では通常、 化学結合の3つの主要な種類 主な結合の種類は、イオン結合、共有結合、金属結合です。さらに、他の分子間相互作用も考慮されます。例えば、… 水素結合 と ファンデルワールス力これらは、より弱い結合ではあるものの、液体、分子固体、および生物系の構造にとって不可欠である。
電子の動きに基づいてこれらの結合の種類を区別するための、一種の「覚え方」があると便利かもしれません。
- 共有結合: 原子 電子を共有する 両者は互いに電子を共有する。どちらも完全に電子を手放すのではなく、共有された電子ペアが形成される。
- イオン結合: 原子 電子を移動させる 互いに電荷が引き合い、一方が電荷を失い（正電荷になり）、もう一方が電荷を得る（負電荷になる）。反対の電荷間の引力によって結合が生じる。
- 金属結合電子が移動する 自由に 多数の金属原子の間に、非局在化した一種の「電子雲」または「電子の海」を形成する。
この基本的な考え方から、各タイプのリンクに見られるような、多くの詳細や特性を洗練させることができます。
5種類の化学結合
以下が表示されます 化学結合 最も重要なこと、そしてそれらの特徴を理解することで、それらがどのように機能し、私たちの周りの問題においてどのような役割を果たしているかを理解することができます。
金属リンク
このタイプのリンクでは、リンクがどのように作成されるかを観察できます。 電子クラウド この構造は原子群全体をまとめており、自由価電子によって形成されています。つまり、金属原子は最外殻電子を部分的に失い、それらの電子は特定の原子に属するのではなく、金属構造全体で共有されるようになるのです。
このプロセスでは、原子がどのように変化するかを観察できます。 プラスイオン 移動する電子の雲に浸かっているため、隣接する原子が電子対を共有する通常のプロセスとは異なり、この電子の非局在化は多くのことを説明する。 金属の特性例えば、高い電気伝導率と熱伝導率など。
金属結合はしばしばネットワークを形成すると考えられている 結晶性これらの金属イオンは高い配位数を持つ。つまり、格子内で各金属イオンは他の多くのイオンに囲まれており、それらは非常に秩序だった規則的な位置に配置されているため、非常にコンパクトな構造となる。
これらのネットワークの表面には、3種類の異なる金属結晶格子が観察され、それらは位置に応じて異なる配位点を持ち、最終的には 12ポイント, 8ポイント また、その他の場合では、 6ポイントしかし、 金属原子の原子価 それは常に比較的小さいため、価電子が非局在化しやすくなる。
この独特な構造のおかげで、金属結合は金属がなぜ以下の性質を持つのかを説明します。
- ショーン 運転が上手な人 電気の場合、電位差が加わると電子雲は容易に移動する。
- 高い 熱伝導率熱が素早く拡散される。
- ショーン 可鍛性および延性 （積層したり、ワイヤーに引き伸ばしたりできる）のは、電子雲が凝集性を維持し続けるため、金属イオンが結晶を破壊することなく互いに滑り合うことができるからです。
- プレゼンテーション メタリックな輝きなぜなら、非局在化電子は光と特有の方法で相互作用するからである。
こうした理由から、金属結合は、導線ケーブルから建築構造物、電子部品に至るまで、多くの技術的応用の基盤となっている。
イオン結合
私たちが話しているのは イオン結合 これは、イオン化エネルギーまたは電気陰性度が低い原子（金属など）と、電気陰性度がはるかに高い原子（非金属など）との間の結合を指します。通常、これは、 金属と非金属.
これが起こるためには、原子の1つが 電子を失うそしてもう一方 彼らに勝つ 連続して。金属は 1 個以上の電子を放出し、正イオンになります (カチオン）一方、非金属はそれらを受け取り、負イオンになる（アニオンしたがって、この結合は、2 つの原子が 静電気引力 非常に激しい相互作用で、一方は電子を引き付ける傾向が強く、もう一方はその傾向が弱い。
多くの非金属元素は、その価電子殻に1つ以上の電子が欠けているため、 完全な外周回そして、この理由から、それらはこの過程で受容体となり、陰イオンと呼ばれるのです。例えば、塩素はオクテット則を満たしてイオンを形成するために1つの電子を必要とします。 Cl⁻.
金属元素は 陽イオン なぜなら、それらは陰イオンとは反対の正電荷を持っているからです。通常、最外殻電子が少ないため、電子を失ってより安定した構造になることが「容易」です。典型的な例はナトリウムで、電子を失ってイオンを形成します。 ナ⁺Cl⁻と結合して 塩化ナトリウム （食塩）
これまで述べてきたことから、このタイプの化学結合では原子は 強力な静電気力そのため、陰イオンは陽イオンを引き付けます。この時点で、一方の原子が電子を失い、もう一方の原子が電子を得る様子が観察されます。この完全な電子の移動により、イオン結合は非常に強くなり、イオンは大きなクラスターを形成するようになります。 結晶格子 三次元。
この化合物を ソリドそれは高度に秩序だった安定した構造を維持している。しかし、湿潤環境にさらされたり、極性液体（例えば…）に溶解したりすると、 水結晶格子が崩壊し、イオンが分離するが、電荷は保持される。このため、イオン化合物の水溶液は 電気を通す一方、純粋な固体は通常そうではない。
イオン化合物には、他にも共通の特徴があります。
- Su 融点 そして沸騰は通常 高い反対の電荷を持つイオン間の強い引力によるものです。
- 彼らは通常です 壊れやすい変形すると、イオン層がずれて同じ電荷を持つイオン同士が接触し、反発力が生じて結晶が破壊される可能性がある。
- それらは容易に溶ける 極性溶媒 水のように、水分子がイオンを取り囲んで安定させるからです。
- それらは、 溶解または融解なぜなら、イオンは自由に移動できるからである。
こうした詳細すべてが、イオン結合を、鉱物塩の組成、生体溶液中の電解質、セラミック材料など、多くの日常的なプロセスにおいて不可欠なものにしている。
共有結合
で 共有結合する 原子には 電子を引き付けて共有する 互いに結合する。一方の原子が電子を完全に他方の原子に渡すのではなく、両方の原子が1つ以上の電子を提供して共有電子対を形成する。このことが起こると、関与するイオンまたは原子は電子配置を達成することが示されている。 はるかに安定している.
多くの種類のリンクには、 電気の導体この場合、共有結合によって形成される物質の大部分は導電性を持たないことが判明した。特に固体状態や中性分子の状態ではその傾向が顕著である。しかし、グラファイトのように、非局在化電子によってある程度の導電性を示す例外も存在する。
すべての 有機材料 金属は主に共有結合から構成されています。これは、前述したように、共有結合が通常、高い安定性をもたらし、鎖状構造、環状構造、三次元ネットワークなど、非常に複雑で多様な構造の形成を可能にするためです。例えば、炭素は複数の共有結合や分岐構造を形成するのに非常に優れています。
これらの結合には、電子共有が対称的かどうかによって異なる独自の分類があります。大まかに言えば、 極性共有結合 と 無極性電子密度分布の違いを明確にするために、以下で簡単に説明します。
この分類に加えて、共有結合は シンプル （共有電子対） 倍増 （2組の共有ペア）または トリプル （3つの共有電子対）は結合の長さと強度に影響を与えます。一般的に、多重共有結合は 短くて強い 単純なものよりも。
極性共有結合
リンク 極性共有結合 彼らの主な特徴は、完全に 非対称 電子密度分布において。これは、結合した原子が電子を共有するが、均等ではないことを意味する。電子密度の高い原子は 電気陰性度 一方の電子は共有電子をより強く引き付け、わずかに負の部分電荷を帯び、もう一方の電子はわずかに正の部分電荷を帯びる。
この状況は、より負に帯電した原子が共有する電子を 2 つ持つか、吸収する空間を 2 つ持つ一方で、もう一方の原子は 1 つしか持たないという状況として視覚化できます。量子力学の世界ではもっと微妙ですが、基本的な考え方は、 共有は公平ではない.
このタイプの結合は、電気陰性度の違いがあるという点でイオン結合と似ていますが、原子が結合するためには、電子の完全な移動ではなく、部分的な電子の移動が起こるという重要な違いがあります。 極性共有結合 電子が不均等に共有される。これが起こるためには、2つの さまざまな非金属元素 電気陰性度が異なる。
典型的な例は、分子である。 水（H₂O）酸素は水素よりもはるかに電気陰性度が高いため、共有電子を強く引き付け、 電気双極子 分子内では、酸素原子上にわずかに負の電荷を帯びた領域があり、水素原子上にはわずかに正の電荷を帯びた領域が2つ存在する。
この極性のため、極性共有結合分子は互いに相互作用することができる。 双極子-双極子力 そして、場合によっては水素結合を形成します。これらの相互作用によって、水のような物質は、分子量に比べて沸点が高いこと、表面張力が高いこと、多くのイオン性物質や極性物質を溶解できることなど、独特の性質を持つようになります。
非極性共有結合
上述の化学結合とは異なり、この場合は、2つ以上の原子が1つずつ存在する必要がある。 同種の非金属 または、非常に類似した電気陰性度を持つ元素。これは極性とは全く異なる重要な点があります。 対称性同じ元素の2つの原子が電子を共有する場合、その過程は完全に対称的であるため、両者はバランスを保ち、電子の授受も均等に行われる。
電子密度が均一に分布しているため、電子は生成されません。 重要な部分負荷 結合の両端に電荷がないため、この結合は非極性であると言われます。非極性共有結合の典型的な例は、次のような分子に見られます。 H₂ （分子状水素） O₂ （分子状酸素） N₂ （分子状窒素）または多くの石油に含まれるような長い炭化水素鎖。
主に非極性共有結合によって形成される物質は通常 水にわずかに溶ける （極性溶媒である）は、一部の油や有機溶媒などの非極性溶媒によく溶けます。さらに、室温では、気体または液体として存在します。 沸点が低いそれはまさに、分子間の引力が比較的弱いからである。
多くの場合、単一の分子内に極性共有結合を持つ領域と非極性結合を持つ領域が存在する。その結果、親水性（水を引き付ける）部分と疎水性（水をはじく）部分を持つ分子が生じる。例えば、… 脂質 細胞膜の二重性。この二重性は、脂質二重層などの生物学的構造の形成において重要な鍵となる。
水素結合結合
El 水素 酸素、窒素、フッ素などの電気陰性度の高い原子と極性共有結合を形成する際に、部分的な正電荷を帯びるという特徴があります。このタイプの分子間結合が生じるためには、部分的に正電荷を帯びた水素が、 電気陰性原子 別の分子内、または同じ分子内の別の部分にある一対の自由電子と結合する。
このプロセスのおかげで、2つの間に結合が形成され、それは 水素結合この結合は、その名の由来となった。共有結合ほど強くはないが、他のファンデルワールス力よりもはるかに強く、多くの物質の構造や性質において重要な役割を果たしている。
非常に代表的な例は水です。それぞれの水分子は隣接する分子と複数の水素結合を形成し、広範囲にわたる水素結合ネットワークを構築します。 相互作用のネットワーク これは、その高い比熱、分子量に対して高い融点と沸点、そして凍結時に膨張するという特異な性質を説明するものです。これらすべては、主にこれらの結合の存在に起因しています。
生物システムでは、 水素結合 これらは分子の三次元構造を維持するために不可欠であり、 タンパク質 と 核酸 （DNAとRNA）例えばDNAでは、相補的な窒素塩基が水素結合によって連結されており、これにより二重らせん構造が安定化し、忠実に複製される。
ファンデルワールスへのリンク
このタイプの相互作用では、 ファンデルワールス力2つの間の結合は、 永久双極子2つの間でも同様 誘導双極子 あるいは、永久双極子と誘起双極子の間に結合が生じる可能性もある。このようなことが起こる唯一の方法は、たとえ瞬間的なものであっても、何らかの電荷分布を持つ分子が存在する場合である。
これらの力は、 引力か反発力か 分子間相互作用、あるいはイオンと中性分子間の相互作用で、わずかに分極が生じる場合がある。これらの相互作用はそれぞれ比較的弱いものの、大きな分子や分子固体においてそれらが合わさると、非常に重要なものとなる。
ファンデルワールス力は、例えば、 貴ガス孤立した非極性原子から構成される分子は、低温で液化および固化することができる。分子は強い化学結合を形成しないが、電子分布の一時的な変動によって瞬間的な双極子が誘起され、弱い引力が働くためである。
また、以下のような物質にも責任があります。 油 Oラス ワックス主に非極性炭化水素鎖から形成される分子は粘性を示し、互いに結合したままである。あるいは、この種の複数の弱い相互作用の繊細な結合のおかげで、一部の生体分子はパズルのピースのように認識し、互いに適合する。
絶え間ない研究のおかげで これはあらゆる種類の化学結合に当てはまります 既存の知見としては、物質がどのように機能し、電子の交換や再分配といった作用によって、物質が全く新しい物質に変化したり、変化後に元の形に戻ったりする仕組みについて、より深く理解できるようになったということが挙げられる。これは、これらのプロセスのほとんどで説明されている通りである。
こうした知識はすべて技術の進歩のおかげで得られたものであり、以前は原子の存在は推測の域を出なかった。その一例として、…の存在が挙げられる。 原子モデル 偉大な哲学者たちによって提唱されたこれらの現象は、今日知られていることとそれほどかけ離れたものではありませんでしたが、実験、分光法、電子顕微鏡、コンピュータシミュレーションツールなどによって、より深く理解されるようになりました。
理解する 物質を構成する化学結合の種類 それは、それぞれの物質がなぜ特定の性質を持つのか、新しい物質がどのように形成されるのか、そして私たちの日常生活を支える生物学的および技術的プロセスの分子的な基盤は何なのかを説明する上で重要な鍵となる。