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問Iの答

　 i　配位結合(または供与共有結合)

　アンモニア分子中には孤立電子対が存在する。そこで, アンモニアが水素イオンと反応するときアンモニアは, 下に示すように,
アンモニア分子中の孤立電子対を共有することでアンモニウムイオン, NH₄⁺, を形成する；

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₃N： + H⁺ → [H₃N：→H]⁺

　ここで, この結合は矢印として表され, その矢印は電子対供与の方向を示している。このような結合は配位結合あるいは供与共有結合として見なされる。


　ii　イオン結合

　ナトリウムと塩素の電子構造はそれぞれ Na: [Ne]1s¹ と Cl: [Ne]3s²3p⁵ である。
　したがって, 塩化ナトリウムにおいて, 電子がナトリウムから塩素へ移動して安定な不活性気体ネオンの電子構造になり, 結果として, Na⁺ と Cl^- 間の結合が吸引の静電気力によって形成される。この結合がイオン結合である。


II

　問i の答

　昇華という語句は直接固体から気体への状態変化として定義される。


　簡単な分子個体は弱い分子間力で保持されている分子から成り立ち, それ故相対的に低い融点と沸点を持ち, その融点と沸点はその弱い結合に打ち勝つ充分なエネルギーを備えている。分子内の原子間の共有結合は融点と沸点で変化しないでそのまま残る。

　直接固体から気体への状態の変化は昇華と呼ばれている。物質は昇華の間では液体にならない。

　二酸化炭素は加熱のとき昇華する簡単な分子物質である。二酸化炭素の状態図において, 三重点は大気圧より上にあり, そこで二酸化炭素は昇華する。


　問ii の答

　塩化アルミニウム中の粒子間の結合は部分的にイオン性である。したがって, 水中で, 塩化アルミニウム結晶表面上の各アルミニウムの正電荷部分は水分子中の酸素原子の部分的負電荷を引きつける。塩素の負電荷部分の各々は水分子中の水素原子の部分的正電荷を引きつける。この引力はイオン－双極子力とよばれている。

　結果として, 塩化アルミニウム中のイオン部分が水分子によって取り囲まれ固体の位置から離れて液体状態になる。すなわち塩化アルミニウムは水和され溶解する。

　一方, ヨウ素固体中の結合は無極性ヨウ素分子間の分子間力によって形成されているので, ほとんど水和されない。


●　I₂は二原子で無極性分子である。その共有結合はヨウ素の同じ非金属の間を形成し, それは外殻を充填するために電子を共有する。

　これらの分子は永久双極子を持たないが, それは各分子が同元素から成り立っているからである。しかし, 一時双極子は隣接分子の中の電子で引き起こされ電子自身を配列させその結果としてその力は引力で, 誘導双極子と呼ばれる。

　１つの分子の一時双極子と他の分子の一時双極子間の力は分子間力のタイプであり, すなわち, 分散力である。分散力の影響は一般に金属や, イオン的に結合された化合物や, 巨大共有結合固体においては無視されるが, それは粒子間の他の引力が非常に大きいからである。

●　各々の水分子は極性分子である。液体の水において, δ⁺ の水素原子が近接分子の酸素原子上の孤立電子対を引きつけるので, 水素結合が液体中で形成される。水分子は共にグループ化して凝集し, その凝集はランダムな衝突で絶えず生滅をしている。

●　ナトリウムと塩素の電子構造はそれぞれ Na: [Ne]3s¹ および Cl: [Ne]3s²3p⁵ である。それ故塩化ナトリウム固体中のナトリウムと塩素間の各結合はイオン性であるが, それは 1つの電子がナトリウムの原子価殻から塩素の原子価殻へ移動し不活性ガスの同じ安定な電子構造を持つようになるからである。

●　アルミニウムと塩素の電子構造は各々 Al: [Ne]3s²3p¹ および Cl: [Ne]3s²3p⁵ である。アルミニウムが塩素と結合するときに, もし電子がアルミニウムから塩素へ移動するならば, アルミニウムと塩素間の結合はイオン性である。

　他方, 周期表第三周期の Na⁺, Ma²⁺, および Al³⁺ において, アルミニウムイオンは大きな電荷密度を持っているが, それは最小イオンで最大の電荷を持つからである。この強い極性の Al³⁺ は AlCl₃ 中の結合をイオンと共有結合特性の間の境界に 位置づける。

●　イオンー双極子力
　NaCl溶液中で, Na⁺ の陽イオンと水双極子の負電荷の端(すなわちその酸素原子上の部分的負電荷)間で引力が存在する。この引力はイオンー双極子力とよばれている。Na⁺ といくつかの水分子間のイオンー双極子力はほとんど完全に Na⁺ と Cl^- 間の引力に費やされる。

●　水の溶解
　溶液中で, 結晶表面上の正電荷ナトリウムイオンの各々は水分子の酸素原子上の部分的負電荷を引きつける。負電荷の塩化物イオンの各々は水分子の水素原子上の部分的正電荷を引きつける。結果はイオンが水分子によって取り囲まれ結晶の位置から離れて液体状態になる。

●　固体が水に溶けるとき２つの過程が行われる。最初に, 固体の化学種が相互関連から分離される。その吸熱過程での標準エンタルピー変化は固体の格子エンタルピーである。二番目に, 分離された化学種は溶媒の分子によって取り囲まれる。この過程は溶媒和, または溶媒が水のとき水和と呼ばれる。


問IIIの答

　金属結晶には格子陽イオンと外殻に非局在化された自由電子が存在するので, 電気エネルギーは電池に接続した金属片を通して非局在化電子の運動による負極から正極への電流で容易に伝えられる。このことは金属結晶が高い電気伝導の特性を持つことを意味する。

　他方, 熱エネルギーは 2つの部分に温度差がある金属片を横切って高温から低温への非局在化電子の衝突による熱流で容易に伝えられる。このことは金属結晶が高い熱伝導の特性を持つことを意味する。


●　金属原子が固体状態で互いに密接化するとき, 各原子は一個以上の原子価電子のコントロールを失う。これらの電子はもはや特定の原子と関連せず自由で固体金属片を通して移動する： その電子は非局在化であると言われる。

　イオンで結合している力はその陽イオンと非局在化電子間の引力である。非局在化電子は全ての陽イオン間で共有されいわゆる陽イオンを共に保持するのに一種のノリのようなものとして作用する。

　その全組織のイオンと電子はイオンがそれ自身ひとつの対称形に配列するときに最低のエネルギーを持つ。固体状態において, それ故金属結合は海のような非局在化電子に囲まれた金属イオンの規則的配列 (格子と呼ばれている) から成り立つ。

●　電流は電荷粒子の流れである。金属の場合, 電荷粒子は非局在化原子価電子で, 金属イオンの三次元格子を通して自由に移動する。金属片を電源 (例えば電池) 接続はその電子の移動を引き起こす。電池の負極は負の位置エネルギーを持ち, 電子の供給があることを意味する。正極は正の位置エネルギーを持ち, 電子の不足があることを意味する。電子は負極から正極へ金属を通して流れる。

●　熱伝導は１部の試料が他のものより高温に維持されるときに物質を通して熱流の速度を測定する。金属の熱伝導は電気伝導と密接にリンクされている。このリンクは電子が金属を通して主に熱伝導に存在することを提示している。金属において, 高温では高い運動エネルギーを持つ電子と高い振動エネルギーを持つ金属イオンによって表される。エネルギーはより多くのエネルギー的 (より熱い) 電子がより低くて少ないエネルギー的 (より冷たい) 電子と衝突するので金属片を通して伝えられる。



[英文]

Answer of QI

　i　coordinate bond (or dative covalent bond)

　There is one lone pair of electrons in a molecule of ammonia. So, when ammonia reacts with hydrogen ion ammonia forms ammonium ion, NH₄⁺, in sharing the lone pair of electrons originated from ammonia molecule as shown below;

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₃N： + H⁺ → [H₃N：→H]⁺

　where, this bond may be represented as an arrow, which shows the direction of the electron pair donation. Such a bond is referred to as a coordinate bond or dative covalent bond.


　ii　ionic bond

　Electronic structures of sodium and chlorine are Na: [Ne]1s¹ and Cl: [Ne]3s²3p⁵ respectively.
　Accordingly, in sodium chloride, electrons move from sodium to chlorine to become the electronic structures of inert gas, as a result, bonds between the ions such as Na⁺ and Cl^- are formed by electrostatic force of attraction.
　This bonding in oppositely charged ions is the ionic bond.


II

　Answer of Qi

　The term sublimation is defined as change in state directly from solid to gas.


　Simple molecular solids consist of molecules held together by weak intermolecular forces, and therefore have relatively low melting points and boiling points, providing sufficient energy which overcomes these weak forces. The covalent bonds between the atoms in the molecules remain inactive at melting and boiling points.

　The change of state directly from solid to gas is called sublimation. The substance does not pass through the liquid state during sublimation.

　Carbon dioxide is a simple molecular substance that sublimes when heated. In the phase diagram for carbon dioxide, the triple point lies above atmospheric pressure, and so carbon dioxide sublimes.


　Answer of Qii

　Bonds between the particles in aluminum chloride are partially ionic. Accordingly, each positive part of aluminum on the surface of aluminum chloride crystal in water attracts the partially negative charge on oxygen of water. Each negative part of chlorine attracts the partially positive charge on hydrogens of water. The force of attraction is called an ion-dipole force.
　As a result, the parts of ions on the surface of crystal are surrounded by water molecules, moved from the position of crystal, and become liquid state. Thus, aluminum chloride is hydrated to dissolve in water.

　On the other hand, iodine is hardly hydrated as bonds for iodine crystal are formed by the intermolecular forces between non-polar molecules of iodine.


●　I₂ exists as diatomic and non-polar molecule. The covalent bond forms between same non-metal of iodine, which shares electrons in order to attain full outer shells.

　These molecules do not have permanent dipoles because each molecule consists of two atoms of same element. However, an instantaneous dipole will cause the electrons in a neighboring molecule to arrange themselves so that the force is attractive, called an induced dipole.

　The force between the instantaneous dipole of one molecule and that of another is a type of intermolecular force, that is, of dispersion force. The influence of dispersion force is generally ignored in metals, in ionically bonded compounds, and in giant covalent solids, because other forces of attraction between the particles are much stronger.

●　Each water molecule is a polar molecule. In liquid water, as δ⁺ hydrogen atoms attract the lone pairs on oxygen atoms of nearby molecules, hydrogen bonds are formed in the liquid. Water molecules group together in clumps, which are constantly losing and gaining molecules as a result of random collisions.

●　The electronic structures for sodium and chlorine are respectively Na: [Ne]3s¹ and Cl: [Ne]3s²3p⁵. Each bond between sodium and chlorine in sodium chloride solid therefore is ionic, because one electron transfers from sodium valence shell to chlorine valence shell, to have the same stable electronic structures of inert gas.

●　The electronic structures for aluminum and chlorine are respectively Al: [Ne]3s²3p¹and Cl: [Ne]3s²3p⁵. When aluminum combines with chlorine, and if the electrons move from aluminum to chlorine, the bond between aluminum and chlorine is ionic.

　On the other hand, in Na⁺, Ma²⁺, and Al³⁺ in Period 3 of the periodic table, aluminum ion has the higher charge density because it is the smallest ion and has the greatest charge. This intensely polarizing Al³⁺ places the bounding in AlCl₃ on the bordering between ionic and covalent bond character.

●　Ion-dipole force.
　In NaCl water solution, there is an attraction between a positive ion of Na⁺ and the negative end of the water dipole (i.e. the partial negative charge on the oxygen atom). This attraction force is called an ion-dipole force. The ion-dipole force between Na⁺ and several water molecules almost exactly compensates for the attraction between the Na⁺ and Cl^- ions.

●　Solubility in water
　During solution, each positive sodium ion on the surface of the crystal attracts the partial negative charge on the oxygen atoms of water molecules. Each negative chloride ion attracts the partial positive charges on the hydrogen atoms of the water molecules.
　The result is that the ions are surrounded by water molecules and removed from their positions in the crystal lattice to become liquid state.

●　Enthalpy of solution
　Two processes take place when a solid dissolves in a solvent. First, the species in the solid become separated from each other. The standard enthalpy change for this endothermic process is the lattice enthalpy of the solid. Secondly, the separated species become surrounded by molecules of the solvent. This process is called solvation, or hydration when the solvent is water.


Answer of QIII

　 As there exist a lattice positive ions and delocalized valence electrons in outer shell in metallic crystal, which are free to move through the three-dimensional lattice of metal ions, the energy of electricity is conducted readily by movement of the delocalized electrons that is an electric current from a negative terminal to a positive terminal across a piece of metal connecting a battery. This means that metallic crystal has the characteristic properties of high electrical conductivities.

　On the other hand, the energy of heat is conducted readily by collision of the delocalized electrons with heat flow from high temperature to low temperature across a piece of metal in which there is a difference in temperature at two parts of the metal. This means that metallic crystal has the characteristic properties of high thermal conductivities.


●　When metal atoms are close to each other in the solid state, each atom loses control over one or more of its valence electrons. These electrons are no longer associated with a particular metal atom but are free to move throughout the solid piece of metal: the electrons are said to be delocalized.

　The ionic bonding force is the attraction between the positive ions and the delocalized electrons. The delocalized electrons are shared between all the positive ions and act as a sort of glue holding them together.

　The whole system of ions and electrons has the lowest energy when the ions arrange themselves in a symmetrical pattern. In the solid state, metallic bonding therefore consists of regular arrangements of metal ions (called a lattice) surrounded by a sea of delocalized electrons.

●　An electrical current is a flow of charged particles. In the case of metals, the charged particles are the delocalized valence electrons, which are free to move through the three-dimensional lattice of metal ions. Connecting a source of electrical difference (e.g. a battery) across a piece of metal causes the electrons to move. The negative terminal of a battery has a negative potential, which means there is a surplus of electrons.The positive terminal has a positive potential, which means there is a deficit of electrons. 　Electrons flow through the mental from the negative to the positive terminal.

●　Thermal conductivity measures the rate of heat flow through a substance when one part of a sample is maintained at a higher temperature than the rest. The thermal conductivity of metals is linked closely to their electrical conductivities. This link indicates that electrons are the main conductors of heat through metals. In a metal, high temperature is represented by electrons with high kinetic energy and by metal ions with high vibrational energy. Energy is conducted through a piece of metal as the more energetic (hotter) electrons collide with and speed up the slower, less energetic (colder) electrons.