化学の出発点は、物質を正しく分類することです。
目の前の物質が「1種類の物質だけでできているのか、複数が混ざっているのか」──
この問いに答えられるようになることが、この記事のゴールです。
物質は、まず純物質と混合物の2つに分けられます。
純物質はさらに、1種類の元素だけからなる単体と、2種類以上の元素からなる化合物に分かれます。
| 分類 | 定義 | 例 |
|---|---|---|
| 純物質 ─ 単体 | 1種類の元素のみからなる | O2、Fe、C（ダイヤモンド） |
| 純物質 ─ 化合物 | 2種類以上の元素からなる | H2O、NaCl、CO2 |
| 混合物 | 2種類以上の純物質が混ざったもの | 空気、海水、ステンレス鋼 |
「塩酸」は1つの物質に見えますが、正体は塩化水素 HCl が水に溶けた水溶液です。つまり HCl と H2O の混合物です。同様に「希硫酸」は H2SO4 の水溶液、「アンモニア水」は NH3 の水溶液で、いずれも混合物です。純物質は HCl、H2SO4、NH3 のほうです。
純物質には重要な特徴があります。融点と沸点が物質ごとに決まった値をもち、一定であるということです。たとえば、純粋な水は1気圧のもとで必ず0℃で凍り始め、100℃で沸騰します。
では、なぜ一定なのでしょうか。
固体を加熱していくと、ある温度で溶け始めます。このとき興味深いのは、溶けている最中は温度が上がらないということです。加熱を続けているのに温度が変わらない──これは一見不思議に思えます。
分子レベルで考えるとこうなります。固体では分子が規則正しく並んで結晶をつくっていますが、この分子どうしは分子間力で互いに引き合っています。固体が液体に変わるとは、この分子間力を振り切って、分子が自由に動けるようになることです。
つまり、状態変化中に加えた熱エネルギーは、温度を上げることではなく、分子間力を断ち切ることに使われます。すべての分子が結晶の拘束から離れるまで、温度は上昇しません。
この「状態変化に使われる熱エネルギー」を融解熱（蒸発の場合は蒸発熱）と呼びます。純物質では構成する分子が1種類だけなので、すべての分子間力が同じ強さです。だから「切り始める温度」と「切り終わる温度」が一致し、融点が一点に定まるのです。
純物質では分子間力が均一なので、すべての分子間結合が同じ温度で切れます。そのため融点が一点に定まり、状態変化中は温度が一定に保たれます。これが加熱曲線に「水平部分」が現れる理由です。
混合物は、2種類以上の純物質が混ざったものです。空気、海水、合金──私たちの身のまわりにある物質のほとんどは混合物です。
混合物は混ざり方によって2種類に分かれます。成分が分子レベルで均一に分散しているもの（食塩水、空気、合金など）と、目で見て異なる部分が区別できるもの（砂と鉄粉、油と水など）です。前者を均一な混合物、後者を不均一な混合物と呼びます。
混合物の加熱曲線には、純物質に見られる水平部分がありません。温度はなだらかに上昇し続けます。
これは、混合物には異なる種類の分子が混在しているためです。異なる分子どうしの分子間力はそれぞれ強さが異なるので、弱い結合から先に切れていきます。すべての結合が同時に切れるわけではないため、融解は「ある温度範囲にわたって徐々に進行」します。だから温度が一点で止まらず、加熱曲線は坂道のようになめらかに上がるのです。
食塩水が純水より低い温度で凍るのは、溶質イオン（Na+、Cl−）が水分子の結晶格子形成を阻害するためです。水分子が氷の結晶に組み込まれるためには、溶質粒子を排除しながら規則正しく配列する必要があり、そのぶん低い温度（＝遅い分子運動）が必要になります。
凝固点降下の大きさは ΔTf = Kf × m（Kf：モル凝固点降下定数、m：質量モル濃度）で表されます。詳しくは第10章で扱います。
純物質をさらに分類するために、元素という概念を使います。元素とは、物質を構成する基本的な成分のことで、現在118種類が知られています。
ここで重要なのは、「元素」と「単体」は別の概念だということです。
元素は物質の構成成分を指します。「水は酸素と水素からなる」というとき、この酸素は元素です。水の中に気体の O2 が入っているわけではありません。
一方、単体は実在する物質です。「酸素は無色の気体である」というとき、この酸素は実在する O2 分子であり、単体です。
| 文 | 「酸素」は？ | 理由 |
|---|---|---|
| 「水には酸素が含まれている」 | 元素 | 水の構成成分を述べている |
| 「酸素は水に溶けにくい」 | 単体 | 気体 O2 の性質を述べている |
| 「有機化合物は炭素を含む」 | 元素 | 化合物の構成成分を述べている |
| 「窒素は空気の約78%を占める」 | 単体 | 実在する N2 の存在比を述べている |
「元素」は物質を分解していったときに最終的にたどり着く成分（概念的なもの）であり、「単体」はその元素だけで構成される実際の物質です。文中で「〇〇を含む」「〇〇からなる」と言っていれば元素、「〇〇は気体である」「〇〇が発生する」のように物質としての性質や挙動を述べていれば単体です。
同じ元素からなる単体でありながら、性質がまったく異なるものがあります。これを互いに同素体といいます。同素体をもつ元素は S（硫黄）・C（炭素）・O（酸素）・P（リン） で、「スコップ」と覚えます。
| 元素 | 同素体 | 性質の違いの原因 |
|---|---|---|
| C | ダイヤモンド、黒鉛、フラーレン | 原子間の結合の仕方が異なる |
| O | 酸素 O2、オゾン O3 | 1分子中の原子数が異なる |
| S | 斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄 | 分子構造・配列が異なる |
| P | 赤リン、黄リン | 分子構造が異なる（P4 vs 高分子） |
ダイヤモンドと黒鉛の違いは、同素体を理解するうえで最も重要な例です。どちらも炭素原子だけからなりますが、性質は正反対です。この違いは原子間の結合の仕方から説明できます。
ダイヤモンドでは、各炭素原子が4つの隣接原子と共有結合し、三次元に広がるネットワーク構造をつくっています。すべての方向に強い共有結合が張り巡らされているため、極めて硬く、電気を通しません（自由に動ける電子がないため）。
黒鉛では、各炭素原子は3つの隣接原子と共有結合して、平面状の六角形ネットワーク（シート）をつくっています。シートの中の結合は非常に強いのですが、シートとシートの間には弱いファンデルワールス力しか働きません。そのためシートがずれやすく、柔らかいのです。
また、黒鉛では各炭素原子の4つの価電子のうち3つが共有結合に使われ、残り1つの電子がシート全体に広がって自由に動きます。この自由電子が電流を運ぶため、黒鉛は電気を通します。
ダイヤモンドの炭素はsp3混成軌道をとり、4本の等価な結合が正四面体方向に伸びます。一方、黒鉛の炭素はsp2混成軌道をとり、3本の結合が120°の角度で平面内に伸びます。残った p 軌道の電子がπ結合を形成し、シート内を非局在化して動き回ります。これが黒鉛の電気伝導性の起源です。混成軌道の概念は大学の化学で詳しく学びますが、「結合に使う軌道の種類が変われば構造が変わり、構造が変われば性質が変わる」という原理は、化学全体を貫く考え方です。
この記事で学んだ「純物質と混合物」「単体と化合物」「同素体」は、化学のすべての話題に先立つ基礎的な分類です。以下に、ここでの知識が他の章とどうつながるかを整理します。
Q1. 空気、蒸留水、塩酸、鉄のうち、純物質をすべて選んでください。
Q2. 純物質の加熱曲線に水平部分が現れるのはなぜですか？
Q3. 「水には酸素が含まれている」の「酸素」は元素と単体のどちらですか？
Q4. ダイヤモンドが硬く黒鉛が柔らかい理由を、結合構造の観点から説明してください。
基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
次の①〜⑥のうち、純物質であるものをすべて選べ。
②④⑥
① 塩酸は HCl の水溶液で混合物。② ドライアイスは純粋な CO2 の固体で純物質。③ ステンレス鋼は Fe・Cr・Ni 等の合金で混合物。④ NaOH は純物質。⑤ 石油は多種の炭化水素の混合物。⑥ C2H5OH は純物質。
ある固体 X を一定の速さで加熱したところ、72℃で溶け始め、85℃ですべてが液体になった。
(1) X は純物質か混合物か。理由とともに答えよ。
(2) 純物質の加熱曲線と混合物の加熱曲線の違いを、分子レベルの理由を含めて60字以内で説明せよ。
(1) 混合物。融解中に温度が72℃から85℃へ上昇しており、融点が一定でないため。
(2) 純物質は分子が1種類で分子間力が均一なため融点が一定だが、混合物は複数種の分子間力が段階的に切れるため一定にならない。（58字）
純物質の融点が一定であるのは、構成する分子が1種類であり、分子間の相互作用がすべて同じ強さだからです。加えた熱がこの均一な分子間力を切ることに使われるため、全分子が融解するまで温度は変化しません。混合物では異なる種類の分子が混在し、分子間力にばらつきがあるため、弱い結合から順に切れ、温度が徐々に上昇します。
物質 A〜F について、以下の問いに答えよ。
A：ダイヤモンド B：ドライアイス C：黒鉛 D：オゾン E：食塩水 F：空気
(1) 混合物をすべて選べ。
(2) 単体をすべて選べ。
(3) AとCは同じ元素からなる単体であるが、Aは電気を通さずCは通す。この違いを結合構造の観点から説明せよ。
(1) E、F
(2) A、C、D
(3) ダイヤモンドでは各炭素原子が4つの隣接原子と共有結合しており、すべての価電子が結合に使われているため自由電子が存在しない。黒鉛では各炭素原子が3つの隣接原子と共有結合して平面構造をつくり、残り1つの価電子がシート内を自由に動けるため、電気伝導性をもつ。
(1)(2) A（ダイヤモンド）= C のみ → 単体。B（ドライアイス）= CO2 → 化合物。C（黒鉛）= C のみ → 単体。D（オゾン）= O3 → 単体。E（食塩水）= NaCl + H2O → 混合物。F（空気）= N2 + O2 + ... → 混合物。
(3) ダイヤモンドのC原子は4本の共有結合（sp3混成）で正四面体構造をとり、4つの価電子すべてが σ 結合に使われます。自由に動ける電子がないため絶縁体です。黒鉛のC原子は3本の共有結合（sp2混成）で平面構造をとり、残った1つの電子は隣接原子のp軌道と重なってπ結合を形成し、シート全体に非局在化します。この非局在化したπ電子が自由電子のように振る舞い、電流を運びます。