答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　元の問題へ　　


問1

　i の答

　H と Cl の電気陰性度の値は, H = 2.1 および Cl = 3.0 である。そこで, H と Cl の間において結合形成の電子対が等しく配分されないので, HCl は極性分子となる。その極性共有結合は式 H^δ+―Cl^δ- で示される。

　 塩化水素の沸点とフッ化水素の沸点を考えると, 前者のものが後者よりかなり小さい。このことは HCl 中の Cl の電気陰性度が F のそれよりも小さく, HCl分子間で, より弱い水素結合が生じ, 塩化水素でのより低い沸点を与えることに相応する。

　フッ素 F = 4.0 の電気陰性度は他のハロゲン中で最も大きな値である。結果として他のハロゲン化水素の中で HF 分子間の水素結合は最も強く, そして HF の沸点は最も高くなる。


●　ある原子の電気陰性度は配分の電子対を引き付ける能力の物差しである。より大きな電気陰性度を持つ原子は結合電子対の大きな分配を持つことになる。

●　極性共有結合…結合を形成する電子対がふたつの原子間で等しくなく分配されるとき, 電子対のより大きな分配を持つ原子は部分的に負電荷をおび, すなわち, その原子は大きな電気陰性度を持つが, それは電子密度がその原子の方へ配置されそして電子が負に帯電していることによる。

　この部分的電荷はδ- で記述される。電子対においてより小さい分配での原子は部分的正電荷を持ち, δ+ で記述される。

　極性分子は, ひとつの分子の正(+)の端がもうひとつの分子の負(-)の端にひき付けられるために, お互いに相互作用を生じる。この相互作用は物質の融点や沸点に影響し, そして極性分子が関与する反応のタイプに影響する。

●　塩化水素は, 全てのハロゲン化水素と同じように, 極性共有結合を持つ。それは極性分子であると言われている。その結合は式 H^δ+―Cl^δ- で示される。

　その分子は全体にわたって双極子で, いわゆる, 一対の反対の分離された電荷を持つ。それゆえ, 双極子は距離 d によって分離された 2つの反対電荷(+ と -)としてあらわすことができる。


Q1

　Answer of i

　The values of electronegativity of H and Cl are H = 2.1 and Cl = 3.0. So, as the electron pair forming bond is shared unequally between H and Cl, HCl becomes a polar molecule.The polar covalent bond is indicated by the formula H^δ+―Cl^δ-.

　Consider the boiling point of hydrogen chloride and that of hydrogen fluoride, so the former is fairly smaller than the latter. This corresponds that the electronegativity of Cl in HCl is smaller than that of F, and that there occur the weaker hydrogen bonds between HCl molecules to give the lower boiling point for hydrogen chloride.

　The electronegativity of fluorine F = 4.0 is the most value in the other halogens. As a result the hydrogen bonds between HF molecules are the strongest, and so the HF boilng point becomes the highest in the other hydrogen halides.


●　The eletronegativity of an atom is a measure of its ability to attract a shared electron pair. The atom with the greater electronegativity will have a large share of the bonding pair of electrons.

●　Polar covalent bonds…When the electron pair forming bond is shared unequally between two atoms, the atom with the greater share of the electron pair acquires a partial negative charge, that is, the atom has a larger electronegativity, because electron density is displaced toward it and electrons are negatively charged.

　This partial negative charge is written as δ-. The atom with the smaller share of the electron pair has a partial positive charge, written as δ+.

　Polar molecules interact with each other because the positive(+) end of one molecule is attracted to the negative(-) end of another. These interactions affect the melting and boiling points of substances, and the types of reaction in which they take part.


●　Hydrogen chloride, like all the hydrogen halides, has a polar covalent bond. It is said to be a polar molecule. The bond is indicated by the formula H^δ+―Cl^δ-.

　The overall molecule has a dipole, that is, a pair of separated charges of opposite sign. Therefore, a dipole can be represented as two opposite charges (+ and -) separated by a distance d.


　ii の答

　水分子中の O―H 結合は極性結合 (O^δ-―H^δ+) である。また, 水分子中での酸素原子の殻外電子は 4つの電子対(2つの結合電子対と 2つの孤立電子対)の配列を持ち, その配列は四面体に歪められている。

　結果として, 水分子は拡がったV字型である。水分子中の2つの双極子は相殺されないので, 水分子は全体として極性であり ； いわゆる, 双極子となる。

　H, O, および S の電気陰性度値は各々 2.1, 3.5 および 2.5 である。そこで, 電気陰性度を参照すると, 水分子間の結合は, 硫化水素より分子を引きあうべき より強い水素結合であることが理解される。上に記述された●1と●2から, 水の沸点が硫化水素より非常に高いことが解釈される。結果として水は室温圧で液体であり 硫化水素は気体である。


　Answer of ii

　The O―H bonds in water molecule are polar covalent (O^δ-―H^δ+). Also, the electrons in outer shells of the oxygen atom for a water molecule have the arrangement of the four electron pairs (two bonding pairs and two lone pairs) which is distorted tetrahedral.

　As a result, the water molecule is a broad V-shape. Because the two dipoles in a water molecule do not cancel out, the molecule as a whole is polar ； that is, the molecule has a dipole.

　The values of electronegatinity of H, O, and S are 2.1, 3.5, and 2.5, respectively. So, referring to the values of electronegativity, the bonds between water molecules is understood to be very stronger hydrogen bonds to attract molecules than hydrogen sulfide. From ●1 and ●2 described above, the boiling point of water is explained to be very higher than hydrogen sulfide. As a result water is liquid and hydrogen sulfide is gas at room temperature and pressure.


　iii の答

　アンモニウムイオンは 4つの等価な N^δ-―H^δ+ 極性共有結合を含む。3つの結合電子対は窒素原子からの 1個の電子と 3つの水素原子からの各 1個の電子との共有によって形成される。

　4番目の結合対は窒素の孤立電子対での割当てを受ける水素イオン H⁺ から生じる。その H⁺ は塩化水素のイオン化で供給され 塩化物イオン Cl^- を生じる。

　結果として, 室温圧での塩化アンモニウム固体はアンモニウムイオンと塩化物イオン間の結合はイオン的であるのでイオン結晶である。

　今, 塩化アンモニウム中の NH₄⁺ の極性力の効果と 塩化ナトリウム中の Na⁺ のその効果と比較すると, 前者は後者よりも小さく, その理由はNH₄⁺の大きさの増加による, すなわち 塩化アンモニウム固体中の共有結合の度合は塩化ナトリウムよりも大きい。


●1　イオン結合に対する共有性の度合は, 陽イオンがイオン核間の領域に陰イオンからの電子密度を引き付けるかどうかで決定される。陽イオンがこれをすることができる度合は陽イオンの極性力と呼ばれる。

●2　陽イオンの極性力はそのイオンの電荷密度に依存し, それは電荷の増加と空間次元での大きさの減少で大きくなる。

　例として, 極性力の効果が 3周期の金属塩化物 ： NaCl, MgCl₂, および AlCl₃ によって説明される。

　その金属イオンの電荷は, 原子バン番号の増加と共に周期にそって, Na⁺<Mg²⁺<Al³⁺ で増加し, そのイオンの大きさは Na⁺>Mg²⁺>Al³⁺ で減少する。

　アルミニウムイオンは最も小さいイオンで最も大きい電荷であるので最大の電荷密度を持つ, すなわち, その極性力は最も大きく, そしてそこで陰イオンとの結合は共有性を含む。

●3　陰イオンの分極率はその電子密度が陽イオンの方へ歪められ得る容易さの物差しである。それは陰イオン上の電荷の増加とそのイオンがもつ電子数の増加で大きくなる。

●4　上に述べられた●1〜●3を考慮すると, イオン結合の共有性は陽イオンの極性力と陰イオンの分極率に依存している。

●5　アンモニアNH₃分子は 3つの電子結合対と孤立電子対を持つ。

●6　アンモニアは, 次のバランスされた式に示されるように, 塩化水素と反応して塩化アンモニウムを形成する ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s)

●7　生成された塩化アンモニウムは水に容易に溶けイオンを形成する,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　NH₄Cl(s) → NH₄⁺(aq) + Cl^-(aq)

　水溶液は電気を通す。塩化アンモニウムは室温圧で存在し, イオンイオン化合物の性質をもつ。

●8　アンモニウムイオンは 4つの等価な N^δ-―H^δ+ 極性共有結合を含む。3つの結合電子対は窒素原子からの 1個の電子と 3つの水素原子からの各 1個の電子との共有によって形成される。

　4番目の結合対は窒素の孤立電子対での割当てを受ける水素イオン H⁺ から生じる。その H⁺ は塩化水素のイオン化で供給され 塩化物イオン Cl^- を生じる。

　結果として, 室温圧での塩化アンモニウム固体はアンモニウムイオンと塩化物イオン間の結合はイオン的であるのでイオン結晶である。

●9　水中の塩化ナトリウムは電気を通す, そこで, NaCl の固体はイオン化合物の性質をもつ。今, 塩化アンモニウム中の NH₄⁺ の極性力の効果と 塩化ナトリウム中の Na⁺ のその効果と比較すると, 前者は後者よりも小さく, その理由はアンモニウムイオンの大きさは増加するが電荷は等価であるために (上の●2参照), すなわち 塩化アンモニウム固体中の共有結合の度合は塩化ナトリウムよりも大きい。


　Answer of iii

　The ammonium ion contains four identical N^δ-―H^δ+ polar covalent bonds. Three bonding pairs of electrons are formed by the sharing of one electron from the nitrogen atom and one electron each from three hydrogen atoms.

　The fourth bonding pair results from a hydrogen ion H⁺ accepting a share in the nitrogen lone pair. The H⁺ is supplied by the ionization of hydrogen chloride to produce the chloride ion Cl^-.

　As a result, ammonium chloride solid at room temperature and pressure is an ionic crystal because the bond between the ammonium ion and the chloride ion is ionic.

　Now, compare the degree of polarizing power of NH₄⁺ in ammonium chloride with that of Na⁺ in sodium chloride, and so the former is smaller than the latter because of increasing size of NH₄⁺, that is, the degree of covalent bond in ammonium chloride solid is larger than sodium chloride.


●1　A degree of covalent character for an ionic bond is determined if the positive ion can attract electron density from the negative ion back into the region between the ionic nuclei. The extent to which a positive ion can do this is called the polarizing power of positive ion.


●2　The polarizing power of a positive ion depends on the charge density of the ion, which increases with increasing charge and decreasing size as a spatial dimensions.

　For example, the effect of polarizing power is illustrated by the chlorides of the metals of Period 3 ： NaCl, MgCl₂, and AlCl₃.

　The charge on the metal ions increases, Na⁺<Mg²⁺<Al³⁺, across the period with increasing of atomic number, and the size of the ions　decreases, Na⁺>Mg²⁺>Al³⁺.

　The aluminum ion has the highest charge density because it is the smallest ion and has the greatest charge, that is, its polarizing power is the greatest, and so the bond with the negative ion contains covalent character.

●3　The polarizability of a negative ion measures the ease with which its electron density can be distorted toward the positive ion. It increases with increasing charge on the negative ion and increasing number of electrons the ion has.

●4　Consider ●1〜●3 mentioned above, and so the covalent character of an ionic bond depends on the polarizing of the positive ion and the polarizability of the negative ion.


●5　Ammonia NH₃ molecule has three electron bonding pairs and one lone pairs.

●6　Ammonia reacts with hydrogen chloride to form ammonium chloride, shown as a following balanced equation ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s)

●7　Ammonium chloride produced is easily dissolved in water to form the ions,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　NH₄Cl(s) → NH₄⁺(aq) + Cl^-(aq)

　The aqueous solution conducts electricity. Ammonium chloride exists as solid at room temperature and pressure, which has the properties of ionic compound.

●8　The ammonium ion contains four identical N^δ-―H^δ+ polar covalent bonds. Three bonding pairs of electrons are formed by the sharing of one electron from the nitrogen atom and one electron each from three hydrogen atoms.

　The fourth bonding pair results from a hydrogen ion H⁺ accepting a share in the nitrogen lone pair. The H⁺ is supplied by the ionization of hydrogen chloride to produce the chloride ion Cl^-.

　As a result, ammonium chloride solid at room temperature and pressure is an ionic crystal because the bond between the ammonium ion and the chloride ion is ionic.

●9　Sodium chloride NaCl solution in water conducts electricity, so the solid of NaCl has the property of ionic compound. Now, Compare the effect of polarizing power of NH₄⁺ in ammonium chloride with that of Na⁺ in sodium chloride, and so the former is smaller than the latter because of increasing size of NH₄⁺ but equaling charge (referr to ●2 above), that is, the degree of covalent bond in ammonium chloride solid is larger than sodium chloride.


問2 の答

　氷の中の分子間結合は主として水分子間の水素結合である。水分子中の O-H 結合は極性共有結合 (O^δ-―H^δ+) である。また, 水分子での酸素原子の 4つの外殻電子は 4つの電子対配列 (2つの結合電子対と 2つの孤立電子対) を持ち, それらは四面体に歪められている。結果として, 水分子はV字形で双極子であり, 氷中の分子間に多数の水素結合が存在する。

　水素結合に加えて弱い分子間結合が氷中に存在する。それらは共有結合の強度の 5%以下である。これらの結合の力は分散力と呼ばれ, 原子や分子内での電子密度の瞬間的で不規則な分布から生じる。


Answer of Q2

　The intermolecular bond in ice is mainly the hydrogen bond between water molecules. The O―H bonds in water molecule are polar covalent (O^δ-―H^δ+). Also, the electrons in outer shells of the oxygen atom for a water molecule have the arrangement of the four electron pairs (two bonding pairs and two lone pairs) which is distorted tetrahedral. As a result, the water molecule is a broad V-shape and a dipole, and there exist a large number of hydrogen bonds between molecules in ice.

　The weak intermolecular bonds in addition to hydrogen bonds are there in ice. They are less than 5 % of the strength of a covalent bond. The force of these bonds is called a dispersion force which results from an instantaneous uneven distribution of electron density within atoms and molecules.


問3 の答

　i　ヨウ素の分子は 2つのヨウ素原子から成り, それは電子対の共有結合で強く結びついている。その小さい共有結合分子から作られる固体ヨウ素は低い融点と低い沸点を持つが, その理由は分子が弱い分散力で結合されていることによる。
　結果として, 固体ヨウ素は大気圧での低い温度で液体なしで固体から気体への変化を示す。それは昇華と呼ばれている。また, その固体は中にある自由に動く電子またはイオンでの電荷種がないので電気を導かない。

　ii　一方, 固体塩化ナトリウムはイオン化合物であり, 反対電荷のイオン間で引きあう強い力によって結合されている。それ故, 高い融点と沸点を持つ。また電気を通さない。溶けると, その固体はイオンが自由に動くので電気を通す。

　上に記述された i と ii を参照して, 固体ヨウ素中の分散力の結合強度と固体塩化ナトリウムのイオン結合強度間にかなりの差がある。固体ヨウ素中の結合強度は固体塩化ナトリウム中の強度より非常に小さいので, 固体ヨウ素は固体塩化ナトリウムよりも非常に容易に固体から気体へ直接揮発される。


●1　沸点…沸騰は蒸気の泡が液体内で(その表面ではなく)できるとき起きる。純粋の液体は沸点と呼ばれる一定の温度で沸騰する。沸騰は液体から気体への状態変化である。沸騰の間で供給されるエネルギーは液体状態の粒子間で引きあう力に打ち勝つために要請されるものである。

●2　融点…純粋固体の温度が周囲からエネルギーを取り徐々に上げる。いったん固体が溶け始めると, 融解が完全に行われるまで一定のままである。この一定温度が融点と呼ばれている。融解は固体から液体への変化である。融解の間に固体物質が取るエネルギーは粒子を一緒に保持している力に打ち勝つために要請されるものである。

●3　分散力…固体ヨウ素中に弱い分子間結合がある。それは共有結合強度の 5%以下である。この結合力は分散力と呼ばれ, それは I₂分子内の瞬間的に変わる電子分布から生じる。I₂分子内の 2つの原子間の共有結合は強い。結果として, 固体ヨウ素は大気圧で一定温度で液体なしで固体から気体への変化を示す。それは昇華と呼ばれる。

　一般に, 分子で作られている共有化合物は低融点と低沸点を持つ。固体, 液体, および, 気体状態は全て共有的に結合された分子から成立している。共有的に結合された分子はこれらのどんな状態でも電気を通さない。理由はその中にある電子あるいはイオンの自由に動く電荷種が存在しないからである。

●4　イオン結合…イオン結合は反対に電荷されたイオン間の静電的引力から成立している ； それ故イオン形成は原子間の電子移動の結果である。イオン結合は金属と非金属間で起きる。

　金属は 1個以上の電子を失い正電荷イオンになる。非金属は 1個以上の電子を得て負電荷イオンになる。両イオンのタイプは通常電子の外殻を満たしており, 希ガスの安定な電子構造に対応している。反電荷イオンは互いに引き合い三次元の格子を形成する, いわゆる, 結晶である。格子中の各イオンは他の反電荷で取り囲まれている。

　反電荷イオン間の静電気引力は強い。それ故イオン化合物は高融点と高沸点を持つ。固体イオン化合物は電気を通さない。溶融されると, イオンが自由に動くので電気を通すようになる。


Answer of Q3

　i　A molecule of iodine consists of two iodine atoms which are strongly combined with the covalent bond of an electron pair. Solid iodine made up the small covalent bond molecules has low melting point and low boiling point because the molecules are bonded by weak dispersion forces.
　As a result, solid iodine shows the change from solid to gas without liquid at an atmospheric pressure and low temperature, called sublimation. Also the solid does not conduct electricity because there are no charged species as free electrons or ions present.

　ii　On the other hand, solid sodium chloride is an ionic compound, bonded by strong forces of attraction between oppositely charged ions. Therefore, the solid has high melting point and boiling point, and also does not conduct electricity. When melted, the solid conducts electricity because the ions are then free to move.

　 Referring to i and ii described above, there is a considerably difference between strength of bonds of dispersion force in solid iodine and ionic bonds in solid sodium chloride. Because the bond strength in solid iodine is much smaller than that in solid sodium chloride, solid iodine is directly volatilized from solid to gas much easier than solid sodium chloride.


●1　Boiling point…Boiling occurs when bubbles of vapour form within the body of liquid (not just at the surface). A pure liquid boils at the fixed temperature called the boiling point. Boiling is the change of state from liquid to gas. The energy supplied during boiling is needed to overcome the forces of attraction between the particles in the liquid state.

●2　Melting point…The temperature of a pure solid gradually increases as it takes in energy from its surrounding. Once the solid begins to melt, its temperature remains constant until melting is complete. This constant temperature is called the melting point. Melting is the change of state from solid to liquid. The energy the solid substance takes in during melting is needed to overcome the forces holding the particles together.

●3　Dispersion force…There are the weak intermolecular bonds in solid iodine. They are less than 5 % of the strength of a covalent bond. The force of these bonds is called a dispersion force which results from an instantaneous uneven distribution of electron density within I₂ molecules. The covalent bond between two atoms within a I₂ molecule is strong. As a result, solid iodine shows the change from solid to gas without liquid at a fixed temperature and atmospheric pressure, called sublimation.

　Generally, covalent compounds made up of small molecules have low melting points and low boiling points. Solid, liquid, and gas states all consist of covalently bonded molecules. Covalently bonded substances do not conduct electricity in any of these states because there no free charged species (electrons or ions) present.

●4　Ionic bond…Ionic bonds are consisted of the electrostatic forces of attraction between oppositely charged ions ； so ion forming is the result of electron transfer between atoms. Ionic bonds occur between metals and non-metals.

　Metals lose one or more electrons and become positively charged ions. Non-metals gain one or more electrons and become negatively charged ions. Both types of ion usually have full outer shells of electrons, corresponding to the stable electronic structures of noble gases. The oppositely charged ions attract each other to form a rigid three-dimensional lattice, that is, a crystal. Each ion in the lattice is surrounded by others of opposite charge.

　The electrostatic forces of attraction between oppositely charged ions are strong. So, ionic compounds have high melting points and boiling points. Solid ionic compounds do not conduct electricity. When melted, they do conduct electricity because the ions are then free to move.


問4 の答　　　　　　　500 cm³ (有効数字3桁)


●1　ヨウ素 I₂ の相対分子量 M(I₂) は, ヨウ素の相対原子量 I = 127 を使用して,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　M(I₂) = 2×127 = 254

●2　4.509 g のヨウ素 I₂ の物質量 n(I₂) は, ●1 の相対分子量を使用して,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n(I₂) = 4.509/254 = 0.01775 mol (有効数字4桁)

●3　蒸発されたヨウ素の体積 V(I₂) は, 273 K, 1.01×10⁵ Pa での●2のn(I₂) = 0.01775 mol および 2.24×10⁴ cm³mol^-1 を使用して,

　　　　　　　　　　　　　　V(I₂) = n(I₂)×2.24×10⁴ = 0.01775×2.24×10⁴ = 397.6 cm³

●4　343 K では,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　V(I₂) = 397.6×343/273 = 500 cm³ (有効数字3桁)


Answer of Q4　 　　　　　500 cm³ (3 sig. figs)


●1　The relative molecular mass, M(I₂), is, using the relative atomic mass I = 127,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　M(I₂) = 2×127 = 254

●2　The amount in moles for 4.509 g of iodine, n(I₂), is, using the relative molecular mass of ●1,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n(I₂) = 4.509/254 = 0.01775 mol (4 sig. figs)

●3　The volume of iodine vaporized, V(I₂), is, using n(I₂) = 0.01775 mol in ●2, and 2.24×10⁴ cm³ mol^-1 at 273 K and 1.01×10⁵ Pa,

　　　　　　　　　　　　　　V(I₂) = n(I₂)×2.24×10⁴ = 0.01775×2.24×10⁴ = 397.6 cm³

●4　At 343 K,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　V(I₂) = 397.6×343/273 = 500 cm³ (3 sig. figs)