原子が結合するわけ

1 molのH-H結合を切るには436 kJが必要です。二つの水素原子は、離れているより結びついているほうがずっと安定なのです。

身のまわりにあるもので、ばらばらの単独の原子でできているものはほとんどありません。空気の大部分はN₂とO₂の分子、水はH₂O、食塩のひと粒はナトリウムと塩素が何十億個もぎっしり詰まったかたまりです。単独の原子のまま漂っているのは貴ガスだけです。ですから本当の問いは、原子が結びつくかどうかではなく、なぜ結びつくのか、そしてなぜある組み合わせはでき、ほかの組み合わせはできないのか、です。

エネルギーが低いほど安定

坂の上のボールは転がり落ちて谷にとどまります。原子もエネルギーについて同じ規則に従います。二つの水素原子が近づくと、それぞれの電子は両方の原子核に同時に引きつけられます。ある距離までは、この引力が原子核どうし・電子どうしの反発を上回り、全体のエネルギーが下がります。74 pm離れたところでエネルギーはいちばん低くなります。原子核をもっと近づけると反発が勝ち、引き離すとエネルギーを加え直さなければなりません。この谷が結合です。

谷の深さが結合エネルギーです。水素では分子1 molあたり436 kJで、これは約6 × 10²³個の結合にあたります。分子を切り離すにはこのエネルギーを与える必要があり、原子が結びつくときには同じだけのエネルギーが放出されます。燃料はこれを逆向きに使います。水素が燃えると弱い結合が切れて水の中の強い結合ができ、その差が熱として出てきます。

74 pmという距離をどうやって測るのでしょうか。ものさしを使う人はいません。分子は回転したり振動したりしていて、原子どうしの距離と結合のかたさで決まる特定の振動数の光だけを吸収します。分光計でその振動数を測れば、計算から結合の長さと角度が求まります。NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Databaseはこうして測られた形を集めていて、このコースの3Dモデルの結合の長さと角度はすべてそこから取っています。

閉殻のパターン

化学者には、どんな結合ができるかをすばやく予想する方法があります。最外殻が満たされた貴ガスはほとんど反応しないので、閉殻は居心地のよい配置だと考えられます。多くの原子は、それぞれの最外殻が満たされるように、ふつうは電子8個、水素なら2個になるように結合します。これをオクテット則といいます。アメリカの化学者G. N.ルイスは1916年に共有電子対を説明し、彼の点の図（電子式）はいまも結合の電子を数えるのに使われています。

閉殻になる方法は三つあり、それが三つのおもな結合の種類になります。原子がほかの原子に電子を渡すと、電気的な引力で引き合うイオンができます。これがイオン結合です。二つの原子が電子対を共有し、それぞれが共有した電子を自分のものとして数えることもできます。これが共有結合です。また、たくさんの金属原子が最外殻の電子を出し合うこともあります。これが金属結合です。どれが起こるかは、おもに電気陰性度、つまりそれぞれの原子が電子を引きつける強さで決まります。

オクテット則は目安であって、法則ではありません。BF₃のホウ素の最外殻電子は6個しかなく、SF₆の硫黄は12個です。遷移金属は独自の数え方に従います。それでも、最初の二十の元素や、炭素・窒素・酸素の化合物では驚くほどよく当てはまり、出発点としてふさわしい考え方です。