基礎からわかる 化学結合：定義・仕組み・共有結合とイオン結合を図解
基礎から図解で学ぶ化学結合入門：定義・仕組みを丁寧に解説し、共有結合・イオン結合や電子配置を図でわかりやすく理解。
化学結合とは、原子同士を結合させるものです。結合した原子は、必要な量のエネルギーが転送されない限り、一緒に滞在します。ここでいう「必要な量のエネルギー」は結合を切断するのに必要なエネルギー（結合エネルギー）であり、この値が大きいほど結合は安定です。
一般的に、強い化学結合は、参加している原子の間で電子を共有したり、移動したりすることによって生じます。分子、結晶、金属、二原子ガスなどの原子は、化学結合によって結合しています。結合の性質（強さ、長さ、電気的性質など）は、どのように電子が関わるかによって決まります。
化学結合の基本的な分類
結合には主に共有結合とイオン結合の2種類があります。共有結合は、原子が電子を共有するときに形成されます。共有によって各原子が安定した電子配置（しばしば8個の価電子、すなわちオクテット）に近づくことを目指します。イオン結合は、反対に帯電したイオン間の引力です。
化学結合の本質は、原子核（正に帯電した陽子）と電子（負に帯電した粒子）との間の静電的な引力や、帯電粒子同士の相互作用にあります。共有結合では電子が原子間に分布して原子核を同時に引きつけ、イオン結合では陽イオンと陰イオンの間の静電的な引力によって結合が生じます。
共有結合のしくみと性質
共有結合は原子の価電子が互いに重なり合うことで生じます。電子対が原子核の周りでより安定に存在する状態を作り、これが化学結合として観測されます。共有結合には次のような特徴があります。
- 極性：結合している原子間の電子を引きつける力（電気陰性度）の差があると、電子が一方に偏ります。偏りが大きければ極性共有結合、小さければ非極性共有結合となり、分子全体に双極子モーメントが生じます。
- 単結合・二重結合・三重結合：共有される電子対の数に応じて結合の強さや長さが変わります（詳しくは下へ）。
- 軌道と結合の種類：原子軌道の重なり方により、σ（シグマ）結合とπ（パイ）結合ができ、分子の立体構造や反応性に影響します。
イオン結合のしくみと性質
イオン結合は一方の原子が電子を失って陽イオンになり、他方が電子を得て陰イオンになることで形成されます。陽イオンと陰イオン間の静電的な引力（クーロン力）が結合を安定化します。典型的な特徴は次の通りです。
- 結晶性：イオン結晶（例：塩化ナトリウム）は規則正しい格子構造を取り、固体状態ではイオンが固定されているため電気を通しにくいが、溶解や融解によりイオンが自由になると電気伝導性を示します。
- 強い静電引力により一般に高い融点・沸点を示すことが多い。
分子の立体構造と軌道の関係
原子や分子は三次元で存在するため、単純な平面図だけで結合を完全に表すのは難しいことがあります。分子の形は、原子価殻の電子同士の反発（VSEPR理論）や原子軌道の混成（ハイブリダイゼーション）によって決まります。例えば炭素のsp3混成では正四面体、sp2では平面三角形、spでは直線形の配置になります。
結合の表現方法（ルイス構造・線表示）
化学者は結合を記述するために電子の数を可視化します。各原子の価電子を点（ルイス点）で示し、共有電子対は点2つで示すか、点の代わりに線1本で表して共有結合を描きます。電子が結合を形成する場合は、2つの電子の間に線が引かれ、結合の数が増えると線の数も増えます。水素（H）は最大2個の電子で安定するなど、オクテット則には例外もあります。
たとえば：
- 単結合：1本の線（電子対1組）
- 二重結合：二重債（電子対2組）
- 三重結合：三重債（電子対3組）
結合エネルギーと結合長
結合エネルギーは特定の結合を切るのに必要なエネルギーの指標で、化学反応の熱力学や反応速度の理解に重要です。結合長は結合している原子核間の距離で、原子の大きさや電子の分布に依存します。一般に、結合エネルギーが大きいほど結合長は短い傾向があります。
例と応用
共有結合の例：水（H2O）、メタン（CH4）、酸素分子（O2）など。イオン結合の例：塩化ナトリウム（NaCl）。金属結合や配位結合（配位子が金属に電子対を供与する結合）など、ここで述べた以外にも多様な結合様式があり、材料科学・生化学・工学など幅広い分野で重要です。
最後に、化学結合は単に「電子が動く」だけでなく、電子と原子核の相互作用（電磁的な力）、軌道の重なり、エネルギーの最小化といった原理に基づく現象です。具体的な分子や結晶の性質を理解するためには、結合の種類、電子配置、分子構造、エネルギー準位などを総合して考える必要があります。
炭素C、水素H、酸素Oの化学結合を示すルイス構造
関連ページ
- 化学式
- 二重債
質問と回答
Q:化学結合とは何ですか?
A: 化学結合とは、異なる化学種をつなぎとめる引力の一種です。
Q: 結合した原子はどうなるのですか?
A: 結合した原子は、必要な量のエネルギーが結合に伝達されない限り、結合したままです。
Q: 強い化学結合には何があるのですか?
A: 強い化学結合は、参加する原子間の電子の共有または移動によってもたらされます。
Q: 化学結合にはどのような種類がありますか?
A: 化学結合の種類は、共有結合とイオン結合です。
Q: 共有結合はどのように形成されるのですか?
A: 原子が電子を共有することで共有結合が形成されます。
Q: イオン結合とは何ですか?
A: イオン結合とは、反対側に帯電したイオンが引き合うことです。
Q: 化学者は通常、化学結合をどのように表現するのですか?
A: 化学者は通常、各原子が自分自身に持つ電子の数を点または線で描いて最大8個とし、化学結合を形成する場合は2つの電子の間に線を引いて化学結合を表現します。
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