原子を結びつけるものは？イオン結合、共有結合、金属結合

原子が結合する理由

原子が結合するのは、外側の電子がより安定な配置、多くの場合は貴ガスのような満たされた最外殻に達するためです。関わるのは外側の電子、つまり価電子だけで、原子はそれを手放したり、受け取ったり、共有したりできます。それぞれの選択が異なる種類の結合につながります。

イオン結合：電子の受け渡し

イオン結合は、ふつう金属と非金属のあいだにできます。金属原子は電子を失って正のイオンになり、非金属原子は電子を得て負のイオンになります。逆の電荷は強く引き合い、その引力がイオン結合です。

食卓塩が典型的な例です。ナトリウム原子が1個の外側の電子を塩素原子に渡し、Na⁺ と Cl⁻ ができます。塩の結晶には、独立した NaCl の対は存在しません。代わりに、各 Na⁺ は6個の Cl⁻ に、各 Cl⁻ は6個の Na⁺ に囲まれ、結晶格子とよばれる立方体の形のパターンがくり返されています。

イオン性化合物は通常、硬くてもろく、融点が高い固体で、塩は801 °Cで融けます。固体のときは電気を通しませんが、融けたときや水に溶けたときには、イオンが自由に動けるようになるので電気を通します。

共有結合：電子の共有

共有結合は、ふつう2つの非金属原子のあいだにできます。どちらの原子も相手から電子を奪うほど強く引かないので、代わりに電子の対を共有します。共有された電子対は両方の原子核に引かれ、それが原子どうしを結びつけます。こうして結びついた原子の集まりを分子といいます。

水分子 H₂O では、酸素原子が2つの水素原子とそれぞれ1対の電子を共有しています。酸素は外側の電子が6個から始まり、いまは周囲に8個あり、各水素は2個で、満たされた第1殻になっています。原子は2対を共有してO₂のような二重結合をつくることも、3対を共有してN₂のような三重結合をつくることもできます。

多くの共有結合性の物質は、融点と沸点が低いため、室温で気体や液体のことが多く、水は100 °Cで沸騰します。ダイヤモンドのように、共有結合の巨大な網目をつくり、非常に硬いものも少しあります。

金属結合：電子の海

金属では、原子が外側の電子を、金属全体を自由に動きまわる共有のプールに放出します。残るのは正の金属イオンの規則的な配列で、この電子の「海」によって結びつけられています。イオンと動きまわる電子のあいだの引力が金属結合です。

自由電子は電流を運ぶので銅は電線に使われ、熱も運ぶので熱いスープの中の金属のスプーンはすぐに熱くなります。結合が特定の原子どうしに固定されていないため、イオンの層が互いにすべることができ、金属は砕けずに曲がり、たたいて薄い板にすることができます。

電気陰性度で結合を予測する

電気陰性度は、原子が共有された電子をどれだけ強く引くかを表します。2つの原子を比べるには、大きいほうの値から小さいほうの値を引きます。おおまかな目安として、差が約0.4未満なら電子はほぼ等しく共有され（無極性共有結合）、差が約0.4〜1.7なら不均等に共有され（極性共有結合）、差が約1.7を超えるとふつうはイオン結合になります。

塩化ナトリウム：3.16 − 0.93 = 2.23 なので、イオン結合です。水：酸素（3.44）と水素（2.20）の差は1.24なので、O–H結合は極性共有結合です。酸素は共有電子をより近くに引き寄せ、わずかに負の電荷を帯び、水素原子はわずかに正になります。塩素ガス Cl₂：3.16 − 3.16 = 0 なので、電子はまったく等しく共有されています。

これらの境界値はおおまかな目安で、結合は実際には連続した尺度なので、教科書によって数値が少し異なります。たいていの場合に使える近道があります。金属＋非金属ならイオン結合、非金属＋非金属なら共有結合、金属＋金属なら金属結合です。