溶解のしくみ（水和）と極性による溶けやすさ

イオン結晶や極性分子が水和して溶けるしくみ（陽イオンは水分子の酸素原子側、陰イオンは水素原子側に引きつけられる）を説明でき、「極性の物質は極性溶媒に、無極性の物質は無極性溶媒に溶けやすい」ことから、物質と溶媒の組み合わせで溶けやすさを判定できる

前提

水溶液の性質と再結晶（中学理科化学分野の用語と知識）
分子の形と極性（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオン結合と金属結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））

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水溶液の性質と再結晶（中学理科化学分野の用語と知識）
原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
共有結合と配位結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子の形と極性（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
イオン結合と金属結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））

説明

塩化ナトリウムやグルコースが水に溶けるのはなぜか、油が水に溶けないのはなぜかを、粒子どうしの引き合いで説明できるようになります。イオン結晶や極性分子が水に溶けるときに起こる「水和」のしくみを理解し、「極性の物質は極性溶媒に、無極性の物質は無極性溶媒に溶けやすい」という目安から、物質と溶媒の組み合わせごとに溶けやすいかどうかを判定します。正誤問題で、水和のようすや溶けやすさを述べた文を見分けるときに使います。

なぜそうしてよいのか

水分子 $H_{2} O$ は折れ線形の極性分子で、電気陰性度の大きい酸素原子がわずかに負（ $δ -$ ）、水素原子がわずかに正（ $δ +$ ）に帯電しています。塩化ナトリウムの結晶を水に入れると、結晶の表面にある陽イオン $N a^{+}$ には水分子の酸素原子側（ $δ -$ ）が、陰イオン $C l^{-}$ には水分子の水素原子側（ $δ +$ ）が、静電気的な引力で引きつけられます。正と負が引き合うので、向きはこの組み合わせしかありません。こうしてイオンが水分子に取り囲まれて結晶から離れ、水中に散らばっていきます。このように溶質の粒子が水分子に取り囲まれることを水和といい、水和したイオンを水和イオンといいます。極性分子（例えばエタノールやグルコースのように、極性の大きい $- OH$ の部分をもつ分子）も、帯電した部分が水分子と引き合って水和し、水に溶けます。

一方、ヘキサンやヨウ素 $I_{2}$ のような無極性分子は、分子の中に目立った正負の偏りがないので、水分子と強く引き合えません。水分子どうしは互いに強く引き合っているため、無極性分子は水分子の間に割り込めず、水にはほとんど溶けません。しかし無極性分子どうしの間にはたらく引力は、似た大きさの弱いものなので、無極性分子は無極性溶媒（ヘキサンなど）の分子の間に入り込んで混じり合い、よく溶けます。逆に、イオン結晶はイオンどうしの強い結合を切り離す相手（水和してくれる極性分子）が無極性溶媒にはないので、無極性溶媒にはほとんど溶けません。

まとめると、溶質と溶媒の間で、溶質どうし・溶媒どうしと同じくらいかそれ以上に引き合えるときに溶けやすくなります。これが「似たものどうしはよく溶け合う」という目安で、「極性（イオンを含む）の物質は極性溶媒に、無極性の物質は無極性溶媒に溶けやすい」と言い表せます。

手順

溶質が、イオン結晶・極性分子・無極性分子のどれかを判定する（例: $NaCl$ はイオン結晶、エタノールは極性分子、 $I_{2}$ ・ナフタレンは無極性分子）
溶媒が、極性溶媒（水など）か無極性溶媒（ヘキサン・ベンゼンなど）かを判定する
「イオン結晶・極性分子 → 極性溶媒に溶けやすい」「無極性分子 → 無極性溶媒に溶けやすい」に当てはめて、溶けやすさを判定する
水和のようすを問われたら、陽イオンには水分子の酸素原子側（ $δ -$ ）、陰イオンには水分子の水素原子側（ $δ +$ ）が向くことを確かめる

例題

物質の溶解について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア塩化ナトリウムを水に溶かすと、ナトリウムイオンには水分子の水素原子側が引きつけられて水和する。
イヨウ素は水によく溶けるが、ヘキサンにはほとんど溶けない。
ウナフタレンは水にほとんど溶けないが、ヘキサンには溶けやすい。
エ塩化ナトリウムは、水よりもヘキサンによく溶ける。

例題の解答

ア: 手順 4 を使う。 $N a^{+}$ は陽イオンなので、水分子のわずかに負に帯電した酸素原子側が引きつけられる。水素原子側が引きつけられるのは陰イオン $C l^{-}$ である。誤り。

イ: 手順 1 で、ヨウ素 $I_{2}$ は同じ原子 2 個からなる無極性分子。手順 2 で、水は極性溶媒、ヘキサンは無極性溶媒。手順 3 から、ヨウ素は水に溶けにくく、ヘキサンに溶けやすい。文は逆なので誤り。

ウ: 手順 1 で、ナフタレンは無極性分子。手順 2・3 から、極性溶媒の水には溶けにくく、無極性溶媒のヘキサンには溶けやすい。正しい。

エ: 手順 1 で、塩化ナトリウムはイオン結晶。手順 3 から、極性溶媒の水には溶けるが、無極性溶媒のヘキサンにはほとんど溶けない。誤り。

よって正しいのはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

陽イオン $N a^{+}$ に水分子の水素原子側が向く、としてしまう誤り。正しくは、正の電荷をもつ陽イオンには、わずかに負（ $δ -$ ）の酸素原子側が向く。水素原子側（ $δ +$ ）が向くのは陰イオン $C l^{-}$ である
イオン結晶はイオンでできていて「極性が大きい」から、どんな溶媒にもよく溶けると考えてしまう誤り。正しくは、イオン結晶を溶かすにはイオンを水和して引き離す極性溶媒が必要で、 $NaCl$ はヘキサンのような無極性溶媒にはほとんど溶けない
ヨウ素 $I_{2}$ が水に溶けにくいのは分子が大きいから、などと考え、ヘキサンにも溶けにくいとしてしまう誤り。正しくは、 $I_{2}$ は無極性分子なので、極性溶媒の水には溶けにくく、無極性溶媒のヘキサンにはよく溶ける
「溶ける」ことを、溶質が溶媒と化学反応して別の物質に変わることだと考えてしまう誤り。正しくは、 $NaCl$ が水に溶けるときは $N a^{+}$ と $C l^{-}$ が水分子に取り囲まれて散らばるだけで、水を蒸発させればもとの $NaCl$ の結晶が得られる

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
塩化ナトリウムの結晶を水に入れると、結晶の表面のナトリウムイオン $N a^{+}$ には水分子の酸素原子側が、塩化物イオン $C l^{-}$ には水分子の水素原子側が静電気的な引力によって引きつけられる。こうしてイオンは何個かの水分子に取り囲まれた状態となり、結晶から離れて水中に散らばっていく。
このように、溶質の粒子（イオンや分子）が水分子に取り囲まれて安定化する現象を何というか。漢字 2 文字で答えよ。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

コロイドの分類（高校化学溶液の性質（知識））
有機化合物の特徴と官能基による分類（高校化学有機化合物（知識））