9.3 : イオン結合と電子移動

イオンとは、電荷を持つ原子や分子のことです。カチオン（陽イオン）は、中性原子がその原子価殻から電子を1つ以上失うことで形成され、アニオン（陰イオン）は、中性原子がその原子価殻から電子を1つ以上得ることで形成されます。イオンからなる化合物はイオン性化合物（または塩）と呼ばれ、構成するイオンはイオン結合（逆に帯電した陽イオンと陰イオンの間の静電力による引力）によって結合しています。

イオン化合物の特性

イオン性化合物の性質から、イオン結合の性質を知ることができます。

• イオン性固体は結晶構造を持ち、硬くて脆い傾向があります。また、融点や沸点が高い傾向があり、イオン結合が非常に強いことを示唆しています。
• イオン性固体が電気を通さないのも同じ理由で、イオン結合の強さのためにイオンが固体内を自由に移動できないからです。
• しかし、ほとんどのイオン性固体は、水に容易に溶解します。イオン性化合物は、いったん溶解したり溶けたりすると、イオンが自由に動き回るため、電気や熱の伝導性に優れています。

イオン化合物の形成

金属元素の多くはイオン化ポテンシャルが比較的低く、電子を失いやすいです。これらの元素は、周期表では周期の左側、またはグループの下側に位置します。非金属原子は比較的電子親和力が高いため、金属原子が失った電子を容易に獲得し、価電子殻を満たすことができます。非金属元素は、周期表の右上にあります。

すべての物質は電気的に中性でなければならないので、イオン化合物の陽イオンの正電荷の合計数と陰イオンの負電荷の合計数は等しくなければなりません。イオン性化合物の式は、同じ数の正負の電荷を与えるために必要なイオンの数の最も単純な比率を表しています。

イオン化合物は規則的な3次元構造を形成する

ただし、イオン性化合物の式は、そのイオンの物理的な配置を表すものではないことに注意する必要があります。ナトリウムイオンと塩化物イオンの間には、イオン結合が1つもないため、塩化ナトリウム（NaCl）分子と呼ぶのは誤りです。イオン間の引力は等方的で、すべての方向に同じです。つまり、特定のイオンは、近くにある反対の電荷を持つすべてのイオンに等しく引き付けられます。つまり、あるイオンは、近くにある反対の電荷を持つすべてのイオンに同じように引き付けられ、その結果、イオンは3次元の格子構造を形成して緊密に結合します。例えば、塩化ナトリウムは、同数のNa⁺イオンとCl^–イオンが規則的に配列されています。Na⁺イオンとCl^–イオンの間には強い静電引力が働いており、固体のNaClではそれらが強固に結合しています。1モルの固体NaClをガス状のNa⁺とCl^–イオンに分解するには769kJのエネルギーが必要です。

陽イオンの電子構造

陽イオンを形成すると、主群元素の原子はすべての価電子を失う傾向があり、その結果、周期表でその前に位置する希ガスの電子構造をとります。

• 1族（アルカリ金属）と2族（アルカリ土類金属）では、族番号は原子価殻電子の数に等しく、その結果、これらの元素の原子からすべての原子価殻電子を取り除いたときに形成される陽イオンの電荷にも等しいです。
• たとえば、カルシウムは、中立原子が 20 電子を持ち、基底状態の電子構成が1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²の2族元素です。 Ca 原子が両方の価電子を失うと、その結果、 18 電子の陽イオン、 2+ 電荷、および1s²2s²2p⁶3s²3p⁶の電子構成が得られます。 したがって、 Ca²⁺ イオンは希ガス Ar と等電子になります。
• 13～17族では、族番号が価電子の数を10上回っています（第4周期以上の元素の原子では完全なd小軌道が存在する可能性を考慮している）。したがって、すべての価電子を失って形成された陽イオンの電荷は、群番号から10を引いた値になります。例えば、アルミニウム（13族）は3+イオン（Al³⁺）を形成します。

例外

• 想定される動作の例外として、族の下部に位置する元素があります。
• Tl³⁺、Sn⁴⁺、Pb⁴⁺、Bi⁵⁺の予想されるイオンに加えて、これらの原子の価電子が部分的に失われると、 Tl⁺、Sn²⁺、Pb²⁺、Bi³⁺イオンが形成される可能性があります。 これらの 1+ 、 2+ 、および 3+ 陽イオンの形成は不活性電子対効果の原因とされ、それは13 、 14 、および 15族の重元素の原子に対する原子価電子対の比較的低いエネルギーを反映しています。
• 水銀（第12族）も予想外の挙動を示し、予想される1原子イオンHg²⁺（1つの水銀原子から形成されるイオン）に加えて、2原子イオンHg²⁺（2つの水銀原子から形成されるイオンで、Hg-Hg結合を持つ）を形成します。
• 遷移金属元素と内部遷移金属元素は、主族元素とは異なる挙動を示します。ほとんどの遷移金属の陽イオンは、最初に最外殻のs電子を失い、時には次の最外殻のd電子を1つまたは2つ失った結果、2+または3+の電荷を持ちます。
• 遷移元素のd軌道は、アウフバウの原理により、電子配置を構築する際に最後に充填されるが、原子がイオン化する際には一番外側のs電子が最初に失われることになります。内側の遷移金属がイオンを形成すると、最外周のs電子とd電子またはf電子が失われて、通常は3+の電荷を持ちます。

陰イオンの電子構造

ほとんどの単原子陰イオンは、中性の非金属原子がその外側のsおよびp軌道を完全に満たすのに十分な電子を獲得して、次の希ガスの電子配置に達すると形成されます。したがって、このような負イオンの電荷を決定するのは簡単です。電荷は、親原子のs軌道とp軌道を満たすために獲得しなければならない電子の数に等しいです。例えば、酸素は1s²2s²2p⁴という電子配置を持っていますが、酸素イオンは希ガスであるネオン（Ne）の電子配置である1s²2s²2p⁶を持っています。価電子軌道を埋めるのに必要な2つの電子が追加されることで、酸化物イオンの電荷は2-（O^2-）となります。

このテキストは 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 7.3: Ionic Bonding から引用したものです。