化学

化学基礎では、原子番号 20 番までの電子配置を学びます。K 殻に 2 個、L 殻に 8 個と、内側から順に電子を入れていきます。ところが 19 番のカリウムでは、M 殻にはまだ 18 個まで入るはずなのに、19 個目の電子は外側の N 殻に入ります。

学習指導要領の解説も、この理由に化学の授業でふれることを例に挙げています。答えを出すのが、大学の量子化学です。殻の中は、さらに s・p・d・f という軌道に分かれます。カリウムでは、M 殻の 3d 軌道より、N 殻の 4s 軌道のほうがエネルギーが低いのです。

1 つの軌道の組に入る電子の数は、s が 2 個、p が 6 個、d が 10 個、f が 14 個です。これを足し合わせると、周期表の各周期の元素の数が 2・8・8・18・18・32・32 になる理由が分かります。全部足すと 118 で、いま名前が付いている元素の数と一致します。

電子の居場所とエネルギーが分かると、元素の性質の並びを、覚えるのではなく説明できるようになります。量子化学は、多くの大学で 2 年ごろに学ぶ授業です。

高校の化学では、反応の熱をエンタルピー変化 ΔH で表し、吸熱反応でも自然に進む理由としてエントロピーにふれます。大学の化学熱力学では、この 2 つを組み合わせたギブズエネルギー G を使います。ΔG = ΔH − TΔS がマイナスなら、反応はその向きに自然に進むことができます。

化学平衡も、同じ考え方で計算できます。25 ℃ では、標準のギブズエネルギーの差 ΔG° が 5.7 kJ/mol 下がるごとに、平衡定数 K は 10 倍になります。ΔG° = −RT ln K という式から出てくる値です。物質ごとのデータ表を使えば、実験の前に平衡の位置を予想できます。

反応の速さを扱うのが、反応速度論です。1889 年、スウェーデンのアレニウスは、速さが温度とともに急に大きくなることを、活性化エネルギーを使った式で表しました。活性化エネルギーが 50 kJ/mol の反応なら、20 ℃ から 30 ℃ に上げると、速さは約 2 倍になります。

身近な例が、コンサートなどで使うケミカルライトです。反応のエネルギーを光として出す化学発光で光ります。アメリカのパデュー大学の化学の実演では、湯に入れたものは明るく光ってすぐに消え、氷水に入れたものは暗いまま長く光り続けます。

化学の有機化合物の単元では、エチレンなどのアルケンに臭素を加えると、臭素の赤褐色が消えることを学びます。二重結合に臭素が付け加わる付加反応です。一方、二重結合があるように書くベンゼンは、鉄を触媒にして臭素と反応させても、付加ではなく置換が起こります。

大学の有機化学では、こうした反応を有機電子論で説明します。電子の対がどこからどこへ動くかを、曲がった矢印で書く方法です。イギリスの化学誌 Chemistry World によると、この矢印が初めて論文に登場したのは 1922 年です。ロビンソンとカーマックが、ブタジエンに臭素が付く位置を説明するのに使いました。

下の図は、エチレンに臭素が付く反応を、矢印で追ったものです。矢印 1 本ごとに、電子の対が 1 組動きます。矢印の決まりは数個しかなく、教科書の何十もの反応を同じ書き方で表せます。ベンゼンが付加より置換を選ぶ理由は、「学ぶために必要な科目 2: 数学」のページで、行列を使って確かめます。