化学の基本(完成率5%くらい)メモ

化学の基本

 

 単位

1cm³ は1mL

1000Lは 1m³

 

 

 単体・・・単一元素からなる純物質(どこから抽出しても均一なその物質が得られること)

 

 

質量数3のトリチウム(水素)とヘリウムでは、ヘリウムのほうが質量は僅か小さくエネルギーは低い。

トリチウムはβ崩壊して質量数3のヘリウムになりやすいと考えられる。

 

均一混合物の例

  • 空気
  • 海水

不均一混合物の例

  • 岩石

黒鉛とダイヤモンドが混ざったものも混合物と呼ぶのが一般的である。

 

同重体-isobar・・・質量数が等しい核種
同重体どうしは異なる元素

同位体安定同位体放射性同位体に分類される。

 

電子の質量は中性子や陽子の1840分の一

 

原子量

元素の原子量は同位体の相対原子量の加重平均 12C=12を基準としてその比でほかの元素の質量を表す。

炭素のように循環しやすい元素は、同位体の存在比率も比較的一定の値を示しやすいため、原子量の有効数字の桁数も多くより正確に求められるが、循環しにくい元素は同位体の比率も一定の値を示さないため、比較的有効数字の小さい桁数でしか求められない。

 

場所によって同位体比率が異なる理由

場所によって物質の元が異なる、すなわち火山や隕石などの外からの変化

 

 

安定同位体が一種しかない元素では、原子量は正確に求められる。(ヨウ素、ナトリウム、フッ素、アルミニウムなど)

 

 質量欠損

炭素の相対質量を12と定めたならば Hは1でOは16となるはずであるがHが1よりわずかに大きくOは16より僅かに小さい。これは一部の質量がエネルギーになることで説明される。(E=mc2原子核がけつごうされれば、安定しエネルギーが放出され多少軽くなる。

 

原子核内では陽子どうしの反発が大きいが、それによる原子核の分裂を防ぐための結合力の元が中性子の存在である。
そのため陽子数が大きい場合、中性子のみでは抑制できず分裂を招きやすい。

 

 

 

18gの水(液体)の体積は標準状態で
0.018L

水10mlとエタノール10ml混ぜたら体積は20mlになる。○か☓か。

理由
エタノール分子のほうが水より遥かに大きく、エタノールと水を混ぜた際、水はエタノール分子の隙間に入り込む形になるため、実際の2つの物質の体積の和より小さくなる。
余談
水素結合により、分子間の距離が小さくなり水の体積は小さい。(今回の議論の場合はあまり関係ないと考えられる。)

 

 

 

 

 

 

 

陽性が強い 電気陰性度は小さい 金属元素
陰性が強い 電気陰性度は大きい 非金属元素

最外殻は8個まで

1869年メンデレーエフ
原子量の順から原子番号の順へ
原子量の順だと発生する例外
ex

18Ar(質量数40)と19K(質量数39)

52Te(質量数128)と53I(質量数127)

 

 

イオン化エネルギー、電子親和力

 Paulingが物質XとYの結合X-Yのものを考えたとき、X-YをXとYにする(均等開裂)には、X-XをX二つに分けるエネルギーaジュールとY-YをY二つに分けるエネルギーbジュールの輪の半分になると予想したが、それより大きいエネルギーがX-Yを切り離すのには必要だった。

 

これは、二原子間に生じるクーロン力によるものだと考え、のちに電気陰性度となる電子を引き寄せる度合いを各元素に割り当て、その差分がひきつける度合いだと考えればいいと予想した。(H→2.1 K→0.8 F→4.0)

 

Mullikenはイオン化エネルギーと電子親和力の平均をとることを提唱した。

 

 

イオン化エネルギーI: \( X=X^++e^--I \)

電子親和力E: \( X+e^-→X^-+E \)

 

Mullikenの電気陰性度: \( 電気陰性度=\frac{I+E}{2} \)

 

最外殻電子を飛ばすのに必要なエネルギー(イオン化エネルギー)と、電子の吸引するような引き込み(電子親和力)はついになってるように見えて別世界の議論。イオン化エネルギーと電子親和力に直接的な関係はない。

Paulingの電気陰性度は測定値でも計算値でもない。

現在でも語られている。Mullikenのものは現実とかなり違いが出たことも多かった。

 

 イオン化エネルギーは大きければ大きいほど電子を出しにくい

電子親和力は大きければ大きいほど電子が入りやすい。

 

 

 

 

 

結合 

 

K,L,M・・・とある電子殻は主殻でありさらに細かくs,p,d,f,と副殻sub shellに分かれる。s,p,d,fはそれぞれsharp,principal,diffuse,fundamentalとわかれる。

電子軌道という用語について、軌道は軌道関数から来ており、奇跡というよりかは存在確率のような意味に近い。

 

shell(C可算)

  主殻 副殻 軌道数 各副殻内に収まる最大の電子の数 各主殻内に収まる最大の電子の数
  K 1s 1 2 2
  L 2s 1 2 8
  2p 3 6
  M 3s 1 2 18
  3p 3 6
  3d 5 10
  N 4s 1 2 32
  4p 3 6
  4d 5 10
  4f 7 14

 

炭素の場合で考えてみる。

炭素の電子配置1s22s22p2

電子は低いエネルギー準位から対になって詰められ、最初の4個がそれぞれ対になる。

エネルギーは低い順に

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<<<

4s<3dとなっていることに注意、これ以降ぱっとみ3pまでの規則性ではなくなる。

 1s,2sのみがspinの状態で2pには三つの箱中二つの電子が収められていると考える。

このままだと炭素が最外殻に四つの軌道を持ち結合できる状態にはならない。そこでsp3混成軌道になると考えられた。

sp3混成軌道では正四面体の形を成し、各軌道のなす角をΘとすると\( cosΘ=-\frac{1}{3} \)

でありおよそ109.5°

VSEPR理論

valence shell electron pair repulsion theory

原子価殻電子対反発測

電子対の反発力の強さ

1.非共有電子対どうしの反発

2.非共有電子対と共有電子対の反発

3.共有電子対どうしの反発

 

 水分子やアンモニア分子の、O-HどうしやN-Hのなす角は109.5°より少し小さくsp3混成軌道のなす角より小さい。これは非共有電子対の力が働いたものと考えられる。

 

 

 

結合の数

水分子一つ当たりの結合数は2

黒鉛のC-C結合の数

 

 

 

配位結合
片方の原子が非共有電子対を出し、もう一方の原子が何も与えない結合

 

イオン結合

引力だけでなくある一定距離以上になると斥力も働く。これが釣り合うところがイオン結合距離となる。

 

水素結合

電気陰性度の大きい元素(F,O,N)は水素化合物において水素結合を形成しやすい。(ただし、HClは水素結合を形成しない。)

沸点は高い。

水分子の水素結合の数はアンモニアフッ化水素の水素結合の数の二倍だから沸点もその分さらに高くなると予想される。

 

ファンデルワールス力(Van der waals forces)

弱いLondon Dispersion Forces

強いdipole-dipole forces

の二種類がさらに細かく考えられる。

ファンデルワールス力は分子量が大きくなると大きくなる傾向がある。

異性体ならばファンデルワールス力は長いほど大きくなる傾向がある。(分子の表面積が大きいほど大きくなる傾向がある。)

 

 

共有結合>水素結合>ファンデルワールス

それぞれにおいて、10倍ほどの差があると考えてよい。

 

1ppm→0.0001%

 

 共有結合結晶

C,Si,SiO,SiC(カーボランダム)

 

SiとHでシラン

氷もドライアイスも分子結晶、結合自体は非金属どうしだから共有結合

 

結合例

個体の塩化アンモニウムに含まれる結合

イオン結合、配位結合、 共有結合

 

 

分子量:分子を構成する原子の原子量の総和

式量:組成式イオン式の中に含まれる原子の原子量の総和

 

イオン結晶は、組成式であり式量となる。(分子量ではない。)

 

 

体心立方格子

 

面心立方格子

銅、銀、金、白金(3メダル+α)

六方最密構造

Mg

 

 

気体は、真空という溶媒に溶かしたものだと考えると腑に落ちることがある、。

実験関連

 

生理食塩水 0.15molの食塩溶液

 

 

フェノールフタレイン pH:8〜10

8.3→10

無色→赤

 

メチルオレンジ

3.1→4.4

赤→黄

 

弱酸と強塩基の中和滴定

フェノールフタレインなどを用いる。

 

強酸と弱塩基の中和滴定

メチルオレンジなどを用いる。

 

 

強酸と強塩基の中和滴定

理論上はどちらでも可

色の判別がしやすいフェノールフタレインが通常は用いられる。

 

ちなみに、pHと指示薬の変色域が違うものを用いたら、物質量が多く測定されたり少なく測定されたりする。

塩酸で滴定する。

炭酸ナトリウムの2段階滴定をしたとして、2段階目の滴定に、チモールブルーなどのより変色域が小さい指示薬を用いると、その変色域が確認されるまで、塩酸を入れ続けるから、適切な値より塩酸を入れることになってしまう。すなわちそれに対応してその比のぶんだけ多くの炭酸ナトリウムが測定される。

 

強酸下では弱酸はほとんど電離しないということを忘れていたので危ない。

 

エタノール(アルコール)は水酸化ナトリウムで滴定されない。

 

 

コニカルビーカー、三角フラスコ、メスフラスコ

純水で洗い、濡れたまま使用
理由:測る溶質の物質量が変化しないため

 

ホールピペット、ビュレット

使用する溶液で数回すすいだあと、濡れたまま使用(共洗い)

理由:濃度が変化させないため

 

ガラス器具→変形しやすい

 

ホールピペット・・・約10〜25mLの少量を正確に測量する器具

メスフラスコ・・・約100mL〜1000mLの多量を正確に測量する器具 

ちなみにメスシリンダーもあるけどメスフラスコ程は正確に測れないっぽい(まぁ器具の種類によって違いそう知らんけど)高校化学範囲内だと、選択肢で与えられてるとか以外は現課程ではメスフラスコって書いたほうがよさそう…

 

 

 

ビュレット・・・滴下量を正確に測量する器具

 

 

  酸化 還元
酸素 化合 失う
水素 失う 化合
電子 失う(与える) 得る(受け取る)
酸化数

 

金属の結晶格子

面心立方格子は六方最密構造ともいう。

 

体心立方格子;アルカリ金属,Ba,Cr

面心立方格子;Cu,Ag,Au,Pt,Al

六方最密構造;Be,Mg,Co,Zn

 

アモルファス・・・構成単位の配列に規則性がなく、結晶化していない固体

 

熱関連

 

沸点

液体の飽和蒸気圧が大気圧と等しくなる温度をその液体の沸点という。

 一定量の水に対する気体の溶解度は、温度が上がると小さくなる。

 

ヘスの法則・・・反応熱の総和は、反応前後の物質の種類、状態のみで決まり途中の経路は関係ない

 

原子から分子になるとき、エネルギーは放出される

 $$ (原子)=(分子)-a(kJ) $$

蒸発熱

$$ H_2O(水)=H_2O(気)-44kJ $$

 

 

$$ 標準状態(0℃、1.013×10^5Pa)→22.4L $$

$$ 27℃、1.01×10^5Pa→24.68L $$

 

上空ほど寒い理由
上空ほど、空気の圧力が小さくなり空気が膨張するためエネルギーが奪われ温度が下がる(断熱膨張)

 

 

電池・電気分解

 

イオン化傾向

Li, K, Ca,Na,Mg,Al,Zn,Fe,Ni,Sn,Pb,(H2),Cu,Hg,Ag,Pt,Au

 

生成

上からAlまでは基本的に融解塩電解で得る必要がある。

ZnからCuまでは、炭素や一酸化炭素で還元される。

Hg,Agは基本的に加熱のみで還元可能

Pt,Auは単体で基本的に取り出せる。酸化した状態のほうが珍しい。

 

 

 

 

 

水との反応

上からNaまでが、冷水と反応する。

Mgは熱い水なら反応する。

Al,Fe,Znは高温の水蒸気となら反応する(100℃は基本的に越している必要があるということ。)

Ni以降は反応しない。

 

酸との反応

Pbまでは基本的に酸と反応する。

Cu,Ag,Hgは酸化力の強い酸となら反応する。

Pt,Au王水(硫酸と硝酸を)にのみ溶ける

 

空気中との反応

上からNaまでは、内部まで酸化される。

MgからCuは表面で徐々に参加される。

水銀以降は基本的に空気中では参加されない。

 

 

 

 素焼き板(ダニエル電池)

細孔によりイオンが出入りできる。

ないと負極に陽イオン(  (Zn^{2+}) )ができて濃くなり、 (Zn^{2+}) が増えにくくなり結果的に電子が流れにくくなる。

↓ 素焼き板で、 (Zn^{2+}) を薄くし、電気的に中性な状態にする。

(Zn^{2+})が正極側の電解液 (CuSO_4) に移動して、逆に (SO_4^{2-}) が、負極側の電解液に移動する。

 

 

 

平衡

体積のみ増大→ 気体分子数増加方向へ

体積のみ減少→気体分子数減少方向へ

 

C(炭素)は固体だから物質量の減少に比例して体積も減少し、モル濃度は一定だから定数に含める。

 

空気がなくても水面さえあれば水の蒸発はおこる。  

 

ドルトンの原子説

定比例の法則と質量保存の法則を説明するために提唱された。

ヘンリーの法則

定量の溶媒の一定温度での気体の溶解量はその気体の分圧に比例する。

 

クラーク数

地殻中に含まれる元素の割合を推定し、存在率で表したもの。

 地殻中に多く含まれる元素

 

酸素、ケイ素、アルミニウム、鉄、カルシウム

ケイ素は単体で存在せず、ケイ酸塩や二酸化ケイ素として存在する。

 

熱化学

中和熱は、酸と塩基の中和によって生じる熱→水酸化物イオンと水素イオンから水、生じる熱と考えるとうまく行くことがある。

 

強酸と強塩基の中和熱はほぼ一定56.5kj/mol

水酸化ナトリウムと塩化水素の中和熱がわかってれば、水酸化カリウムと硝酸の中和熱もそれと扱うことがある。(但し、要は値がどこまで正確に欲しいかだから、個別に求めなければいけない状況も存在する。)

 

ボルン・ハーバーサイクルの準備


f:id:knowhub:20201019060055j:image

 

生成熱が大きい化合物ほど単体と比べて安定である。

反応速度・平衡

 

係数が1の物質を基準として反応速度は考える。

$$ A+3B+2C→5D+2E $$

この場合、E基準で考えると

Aの減少速度が与えられた場合はその2倍、

などとしなければいけないが

基本係数1のAを基準に考える。

Eか〇〇の速度で生成したと言われたら、その半分を考え、適宜反応速度定数などを求める。

 

$$ v=k[X] $$

↑式のが与えられたとき、基本的には

反応速度定数は、温度を上げても触媒を入れても基本上がる。

 

 

 

アレニウスの式


f:id:knowhub:20201020104722j:image

k:反応速度定数

E:活性化エネルギー

R:気体定数

T:温度

 

$$ aA+bB⇄cC+Qkj(a+b>c) $$

 

 

 

反応速度を上げる。(このとき、平衡が移動してもその逆反応の反応速度も速くなる。)

触媒を加える

高圧にする

高温にする

反応での、表面積を大きくする

照射

 

もし物質を取り除くことによって平衡を移動させたときは、逆反応の速さは遅くなる。

 

 

$$ aA+bB⇄cC+Qkj $$

この反応関連について考える。

体積一定で圧力可変で理想気体を混入させたとき、物質のそれぞれの分圧(濃度)は体積一定だから変わらず、平衡は変化しない。

 

圧力一定で体積可変で理想気体を混入させたとき、圧力不変より、各気体に対する分圧が減少する。より分圧の和が小さくなった方が大きくなるように平衡は移動する。また、各分圧は減少するため、正反応も逆反応の速さも減少する。

 

温度が一定だと物質の分圧や濃度が、変化しても基本的に平衡定数は変わらない。

 

分圧と体積の問題文が不可解なとき、分圧で考察したほう良さそう。

平衡において分圧は大事

 

 

気体において、固体が出てきたら体積を切り捨てることはあるし、電離平衡で水やその周辺のイオンなどの扱いは近似など問題によって変わるが、液体の平衡における水は何ら他と違う処理をする必要はない…(水をガン無視して計算してたら詰みました)

 

触媒は順方向、逆方向の反応速度をおおきくし、平衡にはやく到達させるが、平衡は移動させず平衡定数も変化しない。

 

平衡定数関連の計算でおばけ多項式出てきたら、電離度、解離度未知数にして立式すると綺麗にいくかもしれん。

 

 

 

 

 

エントロピーの観点から

※筆者が未熟ゆえに、この記述が適切か保障いたしかねます。ご了承ください。

反応は基本的に、エントロピーが大きくなる方へ、エネルギーが減少する方へ進もうとする。

両者を満たす方へ反応は自発的に進行する。

どちらかのみを満たす場合は、より強い作用の方へ進む。

エネルギーの大きい状態は不安定

粒子の散らばり具合、乱雑さ―エントロピー

高温の場合、エネルギーによる影響よりエントロピーで反応が決定されやすくなる。

 

 

 

 

 

クラーク数

酸素、ケイ素、アルミニウム、鉄、カルシウム、ナトリウム

 

 

有機化学メモ

アルカン

素数4以下は気体

5〜16は液体

17以上が固体

 

アルコール

沸点

一級>二級>三級