物の性質を表す最小の構成単位を分子といいます。分子の例として、水をあげます。水道から水が流れているイメージを想像してみてください。この水を拡大して見てみると、小さな水滴の集まりです。もっと拡大すると、もっと小さな粒の集まりです。限界まで拡大した時に、水は H₂O という水素（H) ２つ、酸素 (O) １つからなる小さな粒が構成単位となっています。この H₂O が水分子です。

分子はさらにいくつかの原子からなります。水の例で言うと、水素という原子　及び　酸素という原子　です。身の回りのものは全て、せいぜい 100 種類程度の原子から構成されています。

原子は、中心に原子核があり、周囲に電子が存在します。つまり原子は「原子核＋電子」です。さらに原子核は、正の電荷を持つ陽子　と　電荷を持たない中性子からなります。

原則として原子の電荷は０です。つまり、正の電荷を持った陽子数と、負の電荷を持った電子数が同じ数だけあります。ところが、何かの拍子で、ある原子から電子が離れて全体として正電荷を有するようになり、離れた電子を受け取った原子が負電荷を有するようになることがあります。このような「電荷を持った原子」や「電荷を持った原子を含む集まり」をイオンと呼びます。

原子を構成する陽子、中性子、電子のうち、質量の大部分を占めるのは陽子と中性子です。陽子と中性子の合計個数は質量数と呼ばれます。原子量に近い整数値となります。¹²C のように、原子の左上に数値を添えて質量数を示します。

炭素の原子量は、精密には 12.01 のように端数がつきます。これは同じ元素において、中性子数が異なる「同位体」と呼ばれるものが自然界には含まれるからです。炭素においては ¹²C がほとんどですが、1% ほど ¹³C が含まれます。これを精密に反映させると、原子量が 12.01 となるのです。

分子量は
分子を構成する原子の原子量の和です。
例えば水 H₂O であれば、分子量は大体 1×2 + 16 × 1 = 18 です。正確に計算するなら 1.01 × 2 + 16.00 × 1 = 18.02 のように表すことができます。

基準となった炭素の原子量は 12 です。
とてつもなく精密な量りを用意したとして、ぴったり 12g になるまで量りに炭素原子を１個ずつ乗っけていったとしてみます。すると炭素原子 6.02 × 10²³ 個のせると丁度 12g となります。この個数を「アボガドロ数」といいます。そして、炭素原子だけでなく、あらゆる原子、分子、イオンについて「6.02 × 10²³ 個ある」というのを「ものが 1 mol ある」と呼びます。 mol という単位を用いる量を物質量といいます。

物質量、個数、質量　の関係についてまとめます。

【物質量→個数】
『何かしらの原子/分子/イオンが 2mol ありました。個数は何個でしょう？』

2 (mol) × 6.02 × 10²³ 個 = 12.04 × 10²³ 個　です。

【物質量→質量】
『C が 2mol ありました。何g ?
H₂O が 2mol あったら何g?』

C 1mol で 12g なので 2 × 12 = 24g です。
H₂O 1mol で 18g です。2mol なので 2 × 18 = 36g です。
※1mol の質量は、分子量に g をつければ OK。

物質量というアイデアのおかげで
「個数↔質量」の変換も　「個数↔物質量↔質量」と順に変換することで、ダイレクトに求めるより簡単に考えることができます。

最終確認問題です。
『炭素 1g は炭素何個？
アボガドロ数は 6.0 × 10²³ 個とする。』

正解は 5.0 × 10²² 個です。
計算過程を復元できれば、物質量について十分身についていると思います！

具体的には
原子核を中心として、同心円を考えます。一番内側を K 殻と呼びます。K 殻には電子が２つ配置されます。例えば 水素原子 H は電子が１つですが、この電子は K 殻に配置されます。K 殻のどこかに１つ電子が存在する　ということです。He であれば、電子２個です。２個の電子は 共に K 殻 に配置されます。

内側から n 番目の殻に入ることができる電子数は 2n² です。K 殻は最も内側なので、2 × 1² = 2 個までしか電子は入りません。ある殻の電子が満杯になることを「閉殻」と呼びます。閉殻状態は安定です。そのため、水素原子よりも He 原子の方が安定です。

電子が入っている一番外側の殻を「最外殻」と呼びます。最外殻電子は８個までというルールがあります。原子番号１～２０までの電子配置について表でまとめたものが以下になります。L殻は 2s,2p 軌道というように、殻はさらにいくつかの軌道に分類されます。

周期表を横に見た時に、行を周期と呼びます。同じ行にある元素は同じ周期に属すると表現します。周期表を縦に見た時に、列を族と呼びます。特に一番左端の列はアルカリ金属（H 除く）、左から二番目の列はアルカリ土類金属（Be、Mg 除く）、一番右端の列は希ガス、右から二番目の列はハロゲンと呼ばれるグループです。

各元素には「イオンになりやすい/なりにくい元素」があります。周期表において左端に近い元素は「電子を失い、陽イオンになりやすい」元素です。電子を失いイオンになる際に必要なエネルギーを「イオン化エネルギー」といいます。周期表の左端に近い元素は「イオン化エネルギーが相対的に小さい」元素といえます。

また、右端の元素である希ガスは非常に安定です。安定とは、イオンになったり他の分子と反応して別の物質になりづらいということです。電子配置の話で触れたように、この族の元素は最外殻電子 8 で閉殻です。そのため安定で、電子を取り去るために大きなエネルギーが必要となります。安定である、という一側面として、イオン化エネルギーが大きい傾向が見られます。

イオン化エネルギーについて、横軸を原子番号、縦軸をイオン化エネルギーにした折れ線グラフは以下のようになります。

希ガスが高くアルカリ金属が低い点や、同じ希ガス、アルカリ金属でも周期が大きくなるごとに少しずつイオン化エネルギーが小さくなっている傾向などが読み取れます。

同位体とは
陽子数が同一で、中性子数が異なる核種です。代表例は、¹²C（陽子数６、中性子数６、質量数１２）と ¹³C（陽子数６、中性子数７、質量数１３）と ¹⁴C（陽子数６、中性子数８、質量数１４）などです。同素体とは違い、同位体同士について、化学的性質については区別がつきません。質量が異なるため、物理的性質についてわずかに違いが生じます。

自然界における同位体の比を同位体比といいます。太陽系内の物質の同位体比は、極めて一様です。ただし局所的に見ると同位体比に違いがでてきます。例えば ¹⁴C に注目してみましょう。

¹⁴C は大体 6000 年弱で半減することが知られています。「ん？半減するのに、太陽系内の比が一定・・・？」と疑問に持ったのではないでしょうか。「大気中」の ¹⁴C はほぼ一定を保ちます。なぜなら、失われた分は、大気中の大部分を占める N₂ が紫外線などにより ¹⁴C に変化することで補充されると考えられるからです。比率が一定というのは全く動きがないわけではなく、減少速度と増加速度が一定であるといえます。

ここで大気以外、具体的には植物に注目します。大気中の C を取り込んで日々破壊と再生を繰返している植物中の ¹⁴C の比率は、生きている時は大気中と同様に一定です。しかし、植物がおなくなりになると、当然光合成を行わなくなるため、大気中の C 取り込みがなくなります。すると、植物中において ¹⁴C の比率は 6000 年ごとに半減していきます。

「6000 年って植物自体が風化してなくなるのでは・・・？」と想像したかもしれません。その通りです。ただし、ごくまれに「化石」のように、植物が死んだ後、非常に安定した環境で長期間保存されることがあります。すると同位体比に注目することで、化石がもともとあった年代を推測することができます。これが ¹⁴C 年代測定法です。化学、生物学、物理学がそれぞれ発達させた知見を組み合わせ、数千年、数万年前というレベルでの推測を可能としています。

以下、分子の例として、H₂ と H₂O を考えましょう。
H₂ （水素分子）を構成する原子は H のみです。電気陰性度に違いはありません。一方、H₂O （水分子）を構成する原子は H と O です。O の方が周期表上で右上寄りなので、電気陰性度が高いです。すると O　がわずかに電子豊富です。「わずかに電子豊富」であることを δ^–（デルタマイナス）、「わずかに電子不足」を δ⁺（デルタプラス）と表します。分子において電荷の偏りがわずかに見られる際、正電荷の重心と負電荷の重心が一致しない場合、分子が極性を有するといいます。重心を考えるため、分子の形が分極と大きな関係を持ちます。

２原子分子は、電気陰性度の違いの有無が極性の有無を左右しました。３原子以上からなる分子の極性については、形、特に「中心原子と結合している原子数＋非共有電子対」から形が推測できます。「中心原子と結合している原子数＋非共有電子対」を n とすると、n = ２なら直線、３なら三角形、４なら四面体が基本の形です。ただし分子の形を考える時、非共有電子対は含まないことに注意が必要です。

H₂O を例に説明します。
H₂O の中心原子は O です。O は ２つの H と結合しています。また、O の最外殻電子は 6 個あり、そのうち 2 個の電子がそれぞれ H の有する 1 個の電子と共有電子対を作ります。すると、非共有電子が 4つ、非共有電子対は 2 つ存在します。従って、n = 4 で四面体が基本です。非共有電子対を含まない「分子の形」は折れ線形とわかります。以下がイメージです。

イオン結合は
陽イオンと陰イオンによる静電気力に基づく結合です。イオン結合からなる代表的分子は NaCl です。Na が陽イオン Na⁺、Cl が陰イオン Cl^– となります。

共有結合は
非共有電子対を互いに共有することによる結合です。非常に強い結合である、という点が特徴です。共有結合からなる代表的分子は H₂、CH₄ などです。

互いに電子を共有するのが原則ですが、NH₃ において、N の持つ非共有電子対を、電子を持たない H⁺ が全て受け取り NH₄⁺ ができるように「一方的な電子供与」による結合もありえます。一方的電子供与による結合は、結果的に共有結合と変わらないのですが、特に「配位結合」と呼ばれます。

共有結合やイオン結合で結びついている分子は一般に結合力が強く、そのため融点や沸点が高い傾向にあります。

金属結合は
電子が余っている金属原子が集まり「陽イオン＋自由電子」で結び付けられる結合です。共有結合、イオン結合のイメージは、原子同士が手を繋ぐイメージですが、金属結合においてそれぞれの原子は陽イオンの粒で、それぞれの粒の間に電子が潤滑剤のようにつるつる流れているイメージです。金属には叩くと伸びる展性、延性があるのですが、原子レベルで見ると各原子核の位置束縛が弱く、衝撃で原子核がずるずるっと滑るために見られる性質と表せます。

サラッと読んだと思うのですが、マクロな性質をミクロな視点から妥当に記述できてます！これ、目隠しで砂漠にパラシュートで落とされて、周り全く見ずに砂一粒だけみせられた時に、しばらくうーんと考えてから「この粒がずっと広がっているのであれば、ここはめったに雨が降らない地域で乾燥している領域と考えられる」って言ってるようなもんだからすごい見方、考察といえるのではないでしょうか。

薬学から少し離れるのですが、共有結合でできている分子（例えば H₂) も金属のような性質をもたせるために、めちゃくちゃ高温で電子を自由に動かした上で気体にならないように高圧条件下におけば『金属水素』を作れるんじゃないかな？などの話題にも発展する内容です。

共有結合性結晶の代表例は、炭素によるダイヤモンドです。
強い結合である共有結合性であるため、高い融点や沸点を有することが多い結晶のタイプです。

イオン結合性結晶の代表例は、食塩による NaCl 型結晶です。
また、CsCl 型結晶もよく対比される構造です。これらはそれぞれ面心立方格子、体心立方格子型と呼ばれる構造をとっています。

金属結合性結晶の代表例は、アルカリ金属 の一種である Na の結晶です。
非常に反応性が高く、手の水分とも反応して NaOH となり皮膚を傷つけるため、取扱い注意です。展性、延性、電気伝導性などの特徴を有します。

分子結晶の代表例は、ドライアイスです。
二酸化炭素分子同士が、分子間力と呼ばれる弱い力で結合しています。結合が弱いため、固体から一気に気体になります。固体↔気体　間の状態変化は昇華といいます。

代表的な結晶構造としては、面心立方格子、体心立方格子があげられます。単位格子の各頂点と面に原子を配列すると面心立方格子です。単位格子の中心と各頂点に原子を配列すると体心立方格子です。

溶液の濃度といえば、まず質量 パーセント濃度を思い出すのではないでしょうか。「溶液 100g 中の、溶質が何g か」という値を示す濃度です。しかしこれだと、1% の塩酸と 1% の水酸化ナトリウムで含まれる物質量が異なり、化学反応を考える時には不便です。化学においては大体 mol/L を用います。

「0.100mol/L リン酸二水素一ナトリウム水溶液（NaH₂PO₄) 10.00mL」 のように「濃度＋物質名＋容量」という情報が与えられた時に、以下のようなイメージと、何 mol そこになるか　という値が自分でスムーズに浮かぶようにしっかりと理解を深めましょう。

薬学においてよくやる操作は「希釈」です。希釈するたび濃度は変わるのですが、その中の溶質の量は変化していない点に注意が必要です。また、◯倍希釈　といわれたら、もとの水溶液を比で言う 1 として、◯倍になるまで水などの溶媒を加える　ということです。

例：0.1 mol/L の NaOH 水溶液 が 10mL ある。
この水溶液を 10 倍に希釈した。

Q1：希釈後、水溶液は 何 mL?
もしも２倍希釈、３倍希釈、４９倍希釈だったら、それぞれ水溶液は 何 mL?

Q2：10 倍希釈前の水溶液 10mL 中に、NaOH は 何 mol ある？また、何g ある？

Q3：10 倍希釈後の水溶液 から 10 mL とった。この水溶液 10mL 中に、NaOH は何 mol ある？また、何g ある？

A1
10倍なので 100mL です。2倍なら 20mL、3倍なら 30mL、49倍なら 490mL です。

A2
希釈前 1L 中に 0.1mol なので、10mL 中に 0.001mol です。NaOH の分子量は 40 とします。1mol で 40g なので、0.001mol なら 0.04g です。

A3
まず 10 倍希釈した時点で 0.01mol/L の NaOH 水溶液が 100mL あります。10mL とるので、0.01mol/L の NaOH 水溶液 10mL です。1L で 0.01mol なので 10mL で 0.0001mol です。1mol が 40g なので、0.0001mol なら 0.004g です。

0 の数をしっかり自分で自信を持って書けるように！10^-◯ 乗の形になおしてもOK。

化学反応とは
化学物質を構成する原子間の結合の切断・生成等によって反応前後において物質が変化する過程です。化学反応は、化学反応式によって表現されます。化学の世界において、化学反応式は非常に大きな情報量を端的に表現できる洗練された形式といえます。

ちなみにですが
ラボアジエさんは、四大元素説を否定する有名なペリカンの実験（フラスコがペリカン型のため）で、水をひたすら 100 日ほど加熱→土っぽいのでできるけど、質量精密に測ってみることで「水→土」ではなく「フラスコ内壁が溶けたもの」と示しています。

質量保存の法則は、「質量を精密に測定する」実験を重ねることで独自の化学的考察を深めた一つの結果として結実した法則といえるのではないでしょうか。また、たった 200 年程度前の科学史に残るような実験が、水を 100 日ほど加熱してたりすることに驚きと共に身近さを感じる面白さがあると思い、少し脇道ながら話題として触れました。