物質のつくり

化学基礎は、混ざった物(混合物)から、1 種類の物質(純物質)を取り出す実験から始まります。学習指導要領は、ろ過・蒸留・抽出・再結晶・クロマトグラフィーの 5 つを扱うと定めています。解説には、醤油やみそ、梅干しから食塩を取り出し、量を比べる実験が例に挙がっています。

台所にも、同じ操作があふれています。コーヒーをいれるのは、お湯に成分を溶かし出す抽出と、粉をこし取るろ過の組み合わせです。だしを取るのも抽出です。どの操作も、物質ごとの沸点や溶けやすさの違いを利用しています。

工場の規模になると、蒸留は社会を支える技術になります。原油を加熱して蒸留塔に送ると、沸点の低い順に、LP ガス、ガソリン、灯油、軽油、重油などに分かれます。経済産業省の教材では、沸点の目安は LP ガスが 30℃ 以下、灯油が 150〜250℃、重油が 350℃ 以上です。

空気も蒸留で分けられます。空気を冷やして液体にし、少しずつ温めると、沸点が −196℃ の窒素、−186℃ のアルゴン、−183℃ の酸素が順に気体に戻ります。英国王立化学会によると、アルゴンは今もこの方法で空気から取り出されています。

化学基礎の「物質の構成」では、原子が陽子・中性子・電子からできていることと、元素を原子番号の順に並べた周期表を学びます。周期表の縦の列(族)には、性質のよく似た元素が並びます。一番外側の電子の数が同じだからです。

いまの周期表の右端の列(18 族)は、19 世紀の終わりに加わりました。イギリスのレイリーは、空気から取った窒素と、アンモニアから作った窒素の密度を量り比べました。すると、空気から取った方が 200 分の 1 だけ重いことに気づきます。測定の誤差では説明できない差でした。

レイリーとラムゼーは、空気から窒素と酸素を取り除き、残った気体を調べました。それは空気の体積の約 1% を占め、どんな物質とも反応させられない新しい元素でした。1894 年に発見され、ギリシャ語の「怠け者」にちなんでアルゴンと名づけられました。1904 年、レイリーはノーベル物理学賞、ラムゼーは化学賞を受けています。

ラムゼーたちはその後、ネオンやクリプトン、キセノンも空気から見つけ、周期表に新しい列を加えました。反応しにくいのは、一番外側の電子の殻が満たされて安定だからです。レイリーはノーベル賞の講演で、大きな講堂の空気には、人が運べないほどの重さのアルゴンが含まれていると話しています。

原子どうしの結びつき方(化学結合)は、大きく 3 つに分かれます。1 つ目は、陽イオンと陰イオンが引き合うイオン結合です。2 つ目は、原子どうしが電子を出し合う共有結合、3 つ目は、金属の原子が自由に動く電子(自由電子)を共有する金属結合です。結合の種類が分かると、物質の性質に見当がつきます。

イオン結合でできた食塩の結晶は、硬い一方で、強くたたくと割れてしまいます。力が加わってイオンの並びがずれると、同じ符号のイオンどうしが向かい合って反発するからです。また、固体のままでは電気を通しませんが、水に溶かしたり高温で融かしたりすると、イオンが動けるようになって電気を通します。

食塩とは反対に、金属はたたくと延びて広がります。原子の並びがずれても、自由電子が結びつきを保つからです。観光庁の解説によると、日本の金箔の 99% 以上は金沢で作られています。金に銀や銅を混ぜた合金を紙にはさんで打ち延ばし、ちょうど 1 万分の 1 mm の厚さにします。金の原子が数百個並んだほどの薄さです。

共有結合は、水や砂糖、プラスチックなどの分子を作ります。化学基礎では、分子の中で電子がどちらの原子に引き寄せられているか(極性)にも触れます。水と油が混ざらないのは、水の分子には極性があり、油の分子にはほとんどないからです。この考え方は、洗剤やドライクリーニングのしくみにもつながります。