まず、共有結合とイオン結合についてですが、共有結合とは、電子を共有することによる結合のことです。イオン結合とは、異符号の電荷をもった２つのイオンの静電的な引き合い（クーロン力）により形成される結合のことです。

多くの結合は、この共有結合と、イオン結合の中間的な結合であるといえます。そこでまず「純粋な共有結合」と「純粋なイオン結合」を紹介します。

まず、純粋なイオン結合の例は NaCl です。次に、純粋な共有結合の例は H－H 結合です。これらの結合に何の違いがあるのでしょうか？

大雑把にいうと、この共有結合とイオン結合の違いとは、結合を構成する各原子の電気陰性度の差です。差が ０．３ 以下なら純粋な共有結合、２．０ より大きければ純粋なイオン結合であるといえます。

言い換えると、結合を構成する ２ 原子の分極の度合いによって共有結合（分極度合いは低い）とイオン結合（分極度合いは高い）とを分類しているといえます。

次に金属結合について述べます。共有結合・イオン結合では「２原子の結合」を見ていましたが、金属の結合は「多原子の結合」です。金属の多原子の集まりを「金属の結晶」と呼ぶことにします。

金属の結晶において、金属原子はいくつかの電子を放出し陽イオンとなります。放出された電子は自由電子と呼ばれる、結晶の中を自由に動きまわる電子として振るまいます。この陽イオンと自由電子の間に働くクーロン力による結合が金属結合です。

最後に分子間力を説明します。分子間力は更に
４－１　双極子相互作用
４－２　水素結合（特殊な双極子相互作用ともいえる。）
４－３　ファンデルワールス力　に分類できます。それぞれの詳細を以下に述べます。

双極子相互作用とは、２つの分子間において働く力であり、分極している分子（双極子）間において生じるものです。

水素結合は、X-H （Xは、Hよりも電気陰性度が高い原子）と、同分子又は他分子における原子との引力的相互作用です。要は、特に強い双極子相互作用と考えてよいです。

ファンデルワールス力とは、電荷を持たない原子・分子間に働く力の総称です。力はかなり小さいです。なぜ、そのような力が生じるかといえば、瞬間的におこる、中性電子における電荷の揺らぎが存在することにより、中性分子間においても符号が反対の電気双極子同士の相互作用が生じるからです。

まとめ
・化学結合＝原子やイオンの結びつきのこと。大きく４つに分類される。
・共有結合＝電子の共有による結合
・イオン結合＝異符号の２つのイオン間の結合
・金属結合＝金属結晶における、金属原子と自由電子による結合
・分子間力＝基本的に中性な分子間の相互作用。双極子相互作用、強い双極子相互作用である水素結合、ファンデルワールス力がある。

演習問題
９９回薬剤師国家試験　問１

その領域は、波動方程式と呼ばれる式を解いた時に出てくる解 ＝ 波動関数で表されます。エネルギーが１番低い時の「波動関数１」、エネルギーが２番目に低い時の「波動関数２」、、、といった解です。この解の具体的な式の形は、係数がごちゃごちゃしている e^x , sinx , cosx の積や和です。イメージとしては、グラフにしたら波打っているイメージで OK です。

各軌道に入ることができる電子の数は、２つです。それぞれの電子の、スピンと呼ばれる固有の角運動量が逆でなければならないという法則が、自然界においての原理として成り立っています。Pauli（パウリ）の排他原理と呼ばれる原則です。

スピンが逆でなければならないということを、喩え話で説明すると、電子１つ１つが自転しており、１つの部屋（＝１つの軌道）に入れる電子は２つだが、２つは必ず逆向きにくるくる回っているというイメージになります。１つの部屋に入った、スピンの向きが逆である２つの電子のことを電子対と呼びます。

電子がいくつかある時は、エネルギーが一番低い軌道から順に電子が入っていきます。これを構成原理といいます。構造原理と呼ばれることもあります。等しいエネルギーの複数の軌道がある時は、次の様なルールに従い、電子が入っていきます。

まず、それぞれの軌道に同じ方向のスピンを持った電子が１つずつ入った後、逆方向のスピンを持った電子がそれぞれの軌道に入って電子対になっていきます。これは Hund（フント）の規則と呼ばれます

ここまでの話は、１つの原子における電子の軌道に関してです。
次に２つの原子がつくり上げる共有結合について考えます。

例として、１つの H（電子が１つ）と１つの H（電子が１つ）が共有結合を作り上げることを考えます。１つの電子は、エネルギーが最低の軌道である s 軌道（sはsharpの略。）に入っています。そして、軌道はまだ２つ電子が入りきっていません。

２つの H 原子が近づく時、２つの s 軌道も近づきます。この時、軌道というのは波っぽい関数であったことを考えると、うまく２つの関数が重なりあうと、波が大きくなったり小さくなったりすると考えることができます。

少し堅苦しい言葉で表すと、位相がそれぞれの軌道において同じであれば互いに強め合い、位相がそれぞれの軌道において異なれば、互いに弱め合います。

互いに強め合う ＝ その場所に電子が存在する確率が高くなる ＝ ２つの電子が、強め合う領域にいる ＝ 必然的に２つの原子が近くにいる → これを「共有結合が生成している」と呼びます。

この話は、２つの原子における電子の軌道に関してでした。
最後に、多原子における電子の軌道に関して３つ例をあげます。

１つめの例として BeH₂ を上げます。Be には電子が ４ 個、H には電子が １ 個あります。

エネルギーが低い方から軌道をあげていくと、1s,2s,2p,2p,2p、、、です。2pが３つあるのは、同じエネルギ－のため同じ名前です。便宜上 x , y , z が下付き文字でつくことが多いです。（参考：続きは3s,3p,3p,3p,4s,3d,3d,3d,3d,3d,4p,4p,4p,5s・・・です。p は principal , d はdiffuse、f は fundamental の略です）

Be の電子は１ｓ，２ｓ軌道に２つずつ入っています。開いている軌道がなく、このままでは「BeとHの接近」→「軌道の重なりあいによる新たな軌道生成」がおきたとしても、電子が入りきらず、結合は生じません。

ここで、２ｓ軌道と２ｐ軌道はそれほどエネルギーが変わらないことから、２ｓ軌道に入っている２つの電子の内１つを、２ｐ軌道に渡してしまうことで、２つ軌道を空けることができます。（参考図１）

こうすれば、H との結合を生じることができます。すると、Be の ２ｓ 軌道と H の １ｓ 軌道との強めあいによる結合が１つとBe の ２ｐ 軌道と H の １ｓ 軌道との強めあいによる結合 １ つが生成されると予想されます。さらに、２ｓ 軌道及び ２ｐ 軌道の形から、結合は ９０ 度であると予想されます。

しかし、実際には、BeH₂ は直線上の分子であることが測定によりわかっています。これはなぜかといえば、電子と電子は共に負電荷を持っており、反発しあうためできるだけ離れようとするからです。つまり、軌道という概念だけでは分子の結合を説明しきれないといえます。

そこで、説明するための便利な概念として考えだされたのが混成軌道です。すなわち、一つの原子の原子軌道と他の一つの原子軌道により、分子軌道ができるように、同一原子上のいくつかの原子軌道を混ぜあわせても、新しい軌道（＝混成軌道）ができると考える概念です。

先程のベリリウム上の、２ｓ軌道と、２ｐ軌道を混ぜ合わせることで、ｓ性５０％、ｐ性５０％の ｓｐ 混成軌道ができます。

この ｓｐ 混成軌道の形も又、方程式を解いた式をグラフにしたものであり、２つの非対称なローブが180°の角度で互いに反対方向を向いているものとなります。

同様に BH₃ について考えます。
BH₃ において、B は電子５つであり、１ｓ軌道に２個、２ｓ軌道に２個、２ｐ軌道に１個電子が入っています。

ここで、２ｓ軌道の２つの電子のうち１つが、２ｐ軌道に行き、２ｓ，及び２ｐ軌道２つの併せて３つの軌道が混成することで、ｓｐ² 混成軌道と呼ばれる３つの軌道ができます。

この形はそれぞれの非対称なローブが 120°ずつの角度を成します。一つ余った２ｐ軌道は、ｓｐ² 軌道とは垂直な軌道となります。この軌道における電子対が、分子におけるπ結合の生成に関与することになります。

最後に CH₄ について考えます。
CH₄ において、Cは電子６個であり、１ｓ軌道に２個、２ｓ軌道に２個、２ｐ軌道に２個電子が入っています。

ここで、２ｓ軌道の２つの電子のうち１つが、２ｐ軌道に行き、２ｓ、及び２ｐ軌道３つの併せて４つの軌道が混成することで、ｓｐ³ 混成軌道と呼ばれる４つの軌道ができます。４つの軌道は、それぞれ正四面体を構成するような軌道となります。

まとめ ： 同じ原子上の軌道を混ぜ合わせることで、違った形をもつ新しい混成軌道ができる。
ｓ軌道１つ、p軌道１つからは、ｓｐ 混成軌道２つができる。
ｓ軌道１つ、p軌道２つからは、ｓｐ² 混成軌道３つができる。
ｓ軌道１つ、p軌道３つからは、ｓｐ³ 混成軌道４つができる。

２つの原子軌道の相互作用に関しては大きく２つの相互作用の様式があります。１つめは、がっちり相互作用するσ（シグマ）タイプの相互作用です。２つめは、やんわり相互作用するタイプのπ（パイ）タイプの相互作用です。

また、相互作用する時には、二種類の相互作用の仕方があります。すなわち、結合性相互作用と反結合性相互作用です。

共役二重結合（二重結合と単結合が交互に連続する部分）が連続する構造を持つ物質を含んでいるものと、その色には深い関係があります。具体例として、ビタミン A の前駆体として知られ、人参に含まれるβ－カロテンは、長い共役構造を持っています。β－カロテンは、光の吸収帯が赤色以外に偏っているため、赤色に見えます。

共鳴とは、原子の位置を変えずに、電子の位置だけを変えた構造式のことです。例としては、下図のような構造式同士の関係のことです。
共鳴構造を示す際に大事なことは、互いの構造を両頭矢印で結ぶことと、全体をかっこで覆うことです。

２つの原子軌道の相互作用に関しては大きく２つの相互作用の様式があります。１つめは、がっちり相互作用するσ（シグマ）タイプの相互作用です。２つめは、やんわり相互作用するタイプのπ（パイ）タイプの相互作用です。

また、相互作用する時には、二種類の相互作用の仕方があります。すなわち、結合性相互作用と反結合性相互作用です。

１）静電相互作用 → 電場あるいは磁場から電荷が力を受けるような相互作用のことです。例としては、イオン結合における Na⁺ と Cl^ー の相互作用が挙げられます。

２）ファンデルワールス力 → 電荷を持たない中性の原子、分子間などで主となって働く凝集力の総称です。例としては、CO₂ 分子間の相互作用が挙げられます。

３）双極子相互作用 → ２つの分子間において働く力であり、分極している分子（双極子）間において生じるものです。例としては、「H（δ⁺）ー Cl（δ^ー）」　「H（δ⁺）ー Cl（δ^ー）」間の相互作用が挙げられます。

４）分散力 → 無極性分子において、電子分布の揺らぎに伴う、一時的な電気双極子間の相互作用により生じる力です。例としては、He 原子間における相互作用が挙げられます。

５）水素結合 → 特に強い双極子相互作用のことです。O－H や N－H といった部分は、H がδ⁺ 性を持ち、他の分子における N や O やハロゲン（δ^ー）と相互作用します。この相互作用を水素結合と呼びます。特に、プロトンを与えている部分（O－H や N－H）をドナー、受け取る側である O や N やハロゲンをアクセプターと呼ぶこともあります。

６）電荷移動による分子間相互作用 → 電子を供与可能な分子中の電子の一部が、他の分子に移動もしくは非局在化（分子全体に広がっていくこと）することです。言い換えると、分子がそれぞれ電荷を帯び、その結果分子間に引力が生じるような相互作用のことです。代表例は、ベンゼン－ヨウ素錯体です。それぞれの分子自体にはない、新しい光吸収体が出現することが特徴です。

この相互作用により生じる錯体は電荷移動錯体と呼ばれます。電荷移動錯体結晶の代表的な例は、テトラチアフルバレン－テトラシアノキノジメタン錯体です。

７）疎水性相互作用 → 疎水性化合物同士や、分子における疎水性領域が水中に存在する時に、周囲の水分子からはじかれた結果、集合体を形成するような相互作用のことです。弱い結合の代表の１つです。水中に油を垂らすと、油同士が集まろうとするのが例として挙げられます。

「波としての性質を持つ」というのは、光源から出た電磁波を、２つのスリットを通してスクリーンに投影したら干渉しあって縞模様になることから、波の性質を持つということを意味します。

「粒子としての性質を持つ」というのは、可視光領域の光を出す電球の光をどんなに強くしても日焼けが起きないことを説明する表現です。もし波としての性質を光が持つなら、光を強くすること＝振幅が大きくなることを意味します。（波が強い＝振幅が大きいと言えるからです。）そして、光の振幅が大きくなると、エネルギーが大きくなります。（波においては、エネルギーが振幅の 2 乗に比例するというルールがあるためです。）これにより、太陽光線と同じくらい強いエネルギーを持った光になれば、日焼けが起きるはずです。

しかし、現実にはどんなに可視光領域の光を出す電球の光を強くしても、日焼けはおきません。これは、光があるエネルギーを持った粒子の集まりであり、光を強くする＝粒子の数が多くなっていると考えることで説明がつきます。よって、光は粒子としての性質も持つと表現されます。

電磁波の種類は、波長により短い方から、「γ線、X線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、ラジオ波」に分類されます。具体的な波長について、まずは「可視光線→大体 400 nm ～ 800 nm」を押さえておきましょう。波長が『長い』方から、どんな色に見えるかというと「赤、橙、黄、緑、青、藍、紫」（せきとうおうりょくせいらんし）です。「赤外線」は、赤よりも外側、つまり 800nm よりも波長が長い電磁波です。「紫外線」は、紫よりも外側、つまり 400 nm よりも波長が短い電磁波です。

電磁波の物質との相互作用は、以下のようにまとめられます。
・γ線は、ほとんど相互作用せず、物質を通過します。
・X線は、物質透過作用が強いです。又、写真作用を持ちます。
・紫外線は、物質中の電子遷移を起こします。
・可視光線は、物質中の電子遷移を起こします。
・赤外線は、物質の振動エネルギーに対応した相互作用を起こします。
イメージとしては、物質を揺らすイメージです。又、熱作用を持ちます。
・マイクロ波は、物質の回転や、電子スピンエネルギーに対応した相互作用を起こします。イメージはやはり物質を揺らすイメージです。又、熱作用を持ちます。
・ラジオ波は、物質の核スピンエネルギーに対応した相互作用を起こします。イメージは、物質にガツガツあたる感じです。又、熱作用を持ちます。

演習問題
９９回薬剤師国家試験　問５

ある原子や分子に電磁波を照射すると、原子や分子の振動・回転・電子状態が変化します。例えば、赤外線を二酸化炭素に照射すると、赤外線を分子が吸収し、低振動状態→高振動状態へと変化する、といったものです。電磁波の種類 ＝ 電磁波の持つエネルギーにより、何の状態が変化するかが決まっています。状態変化に伴い、光吸収や発光が起きます。

振動状態の変化は、具体的には赤外吸収スペクトルとして観測できます。
回転状態の変化は、具体的にはマイクロ波スペクトルとして観測できます。
電子のエネルギー状態変化は、紫外吸収スペクトルとして観測できます。

スピンには、核スピン、電子スピンがあります。核スピンは、原子核に注目したスピンです。電子スピンは、電子に注目したスピンです。

電荷を持った粒子が回転するということは「電荷が移動した」といえます。電荷が移動するとは「電流が流れた」ようなものです。すると電流に伴い磁場が生じます。従って、スピンを有する粒子、すなわち自転する粒子のことを、磁場を生じさせる「小さな棒磁石」のようなものであると考えることができます。

外部から磁場をかけると、スピンを持つ粒子は、磁場の影響で歳差運動をします。（コマが傾いた状態で周り続ける運動のイメージです。）これをラーモア歳差運動といいます。この時、この運動の速度と等しい周波数の電磁波を吸収するという現象が見られます。この現象を利用し、強い磁場をかけた上で、固有の電磁波を照射することで、スピンを持つ粒子に関する様々な情報を得ることができるのです。

例えば「水素原子の核スピン」に注目し、強力な磁場発生装置＋ラジオ波照射装置＋検出器によって「分子における各水素原子の置かれた状態」についての情報を得ることができます。これは ¹HーNMR（Nuclear Magnetic Resonance）で実現されています。

電気陰性度とは、原子の電子を引き寄せる度合いを表したパラメータです。周期表において、希ガス（右端の原子）を除き、右上ほど大きくなる傾向にあります。F （フッ素）の電気陰性度が最大で 4.0 です。

電荷 ± Q が、微小距離 r 離れて存在するものが、双極子です。双極子について、負電荷から正電荷へ向かうベクトル量（向き、大きさのある量）のことを双極子モーメントと呼びます。双極子モーメントは、分子の分極を定量的に示すために用いられます。