化学
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/03/13 23:50 UTC 版)
化学で扱う基本的なこと
原子の種類と構造
化学では、物質の基本単位を原子として、その原子が持つさまざまな性質を抽象的概念である「元素」[17]として把握する。原子論が確立した現代では、その特徴を理論的に掴む上で、原子核（陽子・中性子）および電子までの原子の構造から原子番号、質量数、電気素量、イオン、同位体などを決定し取扱い、各元素が持つ性質を理解する。[18]
原子が持つ周期的性質（周期律）は初期の化学が発見した一大成果である[19]。この物理的性質の近似を生む要因である電子配置から、各元素のイオン化エネルギー、電気陰性度、酸化数、原子半径やイオン半径などの特徴が理論づけられる[20]。この周期律を簡略な表にまとめた周期表は化学のバイブルとまで呼ばれる[19]。
元素の性質を記述することは、化学の中でも量子力学と統計力学が取り扱う。周期律は、量子力学の成立をもって初めてその本質が明瞭になった[7]。原子内の電子配置はボーアの原子模型では限界がある[21]ので、波動力学のパウリの排他原理や波動関数[22]、そして電子のエネルギー準位で説明される[20]。統計力学は、物質の状態（三態）や性質などを巨視的に理解する上で必須の方法論を提供し、実験の結果をもたらす上で大きな役割を持つ[7]。
化学結合
物質は原子から構成されるが、その原子が結びついて分子をつくる。この結び付きを化学結合と呼び、これを理解することで化学は発展してきた[23]。
19世紀以前、原子間の結びつきは化学反応を説明するために考えられた。基礎的な概念に当たる化学親和力や、続く電気化学的二元論や原子価が提唱されたが、それでも一部の結合しない原子の組み合わせを説明できなかった[24]。20世紀に入りドイツのヴァルター・コッセル(en)がイオン結合を理論化し、それでも解釈不能な水素分子など無極性分子の説明にアメリカのギルバート・ルイスとアーヴィング・ラングミュアがそれぞれ独立に共有結合の概念を提案した[25]。量子力学は分子構造論も深化させ、二原子分子の安定を説明した交換相互作用、分子軌道や原子軌道を明らかにした波動関数[26]、金属結合の実際を自由電子モデルから進めたバンド理論[27]などをもたらした。
分子の構造
分子は、その物質が持つ特性を維持したまま分割できる最小の単位と言える[28]。静電気力で結合するイオン結合には方向性が無いが、共有結合は異方性がある。簡単な共有結合分子は原子価殻電子対反発則で説明され、これに電子軌道の考え方を加えれば、分子やイオンの構造についての理論的根拠になる[29]。
その一方で、同じ種類と数の元素が組み合わさった分子でも、その構造で物性に差があることが判明している。不斉炭素原子と共有結合する4つの原子団が結合する位置の違いから生じる光学異性体や立体異性体や、また炭素などの二重結合部分が回転しないために生じる幾何異性体などは、同一の構造式でありながら異なる性質を持つ分子となる。ベンゼン環に結合する置換基の位置（オルトなど）による構造異性体も一例に当たる[30]。エタン類など回転が可能な分子においても、立体障害などによる特性の差異は生じる[30]。さらに近年では知恵の輪のようなカテナンやサッカーボールもどきのフラーレンなど、風変わりな構造を持つ分子も発見されている[31]。
物質の状態
原子や分子がある程度の量あつまると、特徴的な性質をもった集団を形成する。これを相といい、大きく分けて固体、液体、気体（物質の三態）などがある[32]。閉鎖系において物質がこれらの相を取るには温度と圧力が影響し、ギブズ相律という法則に則った状態を取る。これは物質ごとに相図というダイアグラムで示される[32]。
気体は反応に乏しく、体積や圧力など物理的性質や変化などを中心に扱う。しかしそれらのマクロ的なふるまいは、気体では分子が単独で存在する、というミクロな分子の構造や性質に由来する[33]。なお、気体が電離した状態であるプラズマについても、プラズマ化学という分野で取り扱う[34]。
液体は分子間力の点から気体と固体の中間にある。加熱や冷却によって気化・蒸発や凝固など相の変換を起こす。これは化学における重要な物質生成手段である蒸留にかかわる[35]。また、2つ以上の成分でできた液体、溶液に関して化学では、溶媒と溶質による分散系の性質、浸透圧や粘度また表面張力・界面張力なども扱う[36]。
固体は基本的に原子が規則的に配列する結晶と、規則性に乏しく固体と液体の中間とも言えるアモルファス（非晶質）に分けられる[37]。結晶質は複数の結晶構造いずれかを取り、その性質を特徴づける[38]。また、粒子の種類や力から分類される結晶には、金属結晶・イオン結晶・分子結晶・共有結合結晶などがある[39]。結晶構造を持ちながら液相的性質を持つ物質は液晶と呼ばれ、一部にベンゼン環のような平面の構造を持つ共通点がある[39]。
化学反応
複数の物質に混合・必要があれば加熱・冷却などの操作を加えると、異なる化合物ができる。これを化学反応と呼ぶ。化学反応は物質を構成する原子間の化学結合の変化によって起きる。化学反応の前後では全体の質量は変わらない。これを質量保存の法則（あるいは物質不変の法則）という。化学反応は、自然界において基本的には、ある種の自由エネルギーを最小化するほうへ向かって、エネルギーが低い位置へ向かう発熱反応と、より乱雑になろうとするエントロピーの増大という相反する反応を起こしながら、平衡に達する。化学では、これら反応の法則性や利用法の解明が課題となる[40]。
水溶液の性質を知る手段として体系づけが始まった酸と塩基（塩が加水分解したもの）の関係は、化学では重要な項目となる[41]。主に水に溶ける物質の性質分類が行われ、水溶液以外の状態も考慮して[42]、
と定義される。この2つは重要な化合物の組である。互いに相反し中和を起こさせながら化学平衡し、水素イオン指数など溶液の性質を決める。
燃焼や金属製錬および腐食などの本質は酸化と還元で説明される。酸と塩基が反応の窓口となる電子対が原子と一体になっているのに対し、酸化と還元は電子が単独で動き反応を起こす[43]。そのため、酸化還元は電圧と密接に関係し、電流を生じさせる機構の基本的な原理に当たる[43]。還元の代表的な用途は卑金属の精製であり、酸化は生化学において重要なクエン酸回路に見られる。
化学合成は、単純な物質から化学反応を用いて複雑な、または特定の機能を持つ物質を生成することを指す。分子量の小さな物質をつなぎ合わせて高分子を作る化学合成の代表例には重合反応がある。これは化学工業の主要なプロセスである。機能を持たせる化学合成の例は医薬品製造やナノテクノロジーなどである。このような製造に関わる化学合成では、適切な製品を効率良く作り出すことが求められ、化学の分野としては触媒や不斉合成など[40]が研究される。
注釈
- ^ 化学という学問を離れると、必ずしもこの仮説だけで説明しているわけではなく、（化学ではない）物理学・素粒子物理学などでは、物質の定義に、（原子や分子よりもはるかに小さな）レプトンやクォーク、ニュートリノなども加えた仮説を構築している。高エネルギー物理学・素粒子物理学/東京大学理学部物理学科・大学院理学系研究科物理学専攻。
出典
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