化学式や組成式を作る問題では、イオンの電荷を見て数の比を決めることが重要です。特にカルシウムイオンと塩化物イオンからできる塩化カルシウムがなぜCaCl₂になるのかは、最初につまずきやすいポイントの一つです。
この記事では、Ca²⁺とCl⁻からどのようにCaCl₂ができるのかを、途中の考え方から順番に分かりやすく解説します。イオンの数合わせのルールが分かれば、他の組成式も同じ考え方で解けるようになります。
まずカルシウムイオンと塩化物イオンを確認する
最初に、それぞれのイオンがどんな電気を持っているかを確認します。
カルシウムは元素記号でCaと書きます。カルシウム原子は電子を2個失うことで、カルシウムイオンになります。
Ca → Ca²⁺ ＋ 2e⁻
つまり、カルシウムイオンは「2個分のプラスの電気」を持っています。
一方、塩素は電子を1個受け取ることで塩化物イオンになります。
Cl ＋ e⁻ → Cl⁻
塩化物イオンは「1個分のマイナスの電気」を持っています。
組成式を作る基本ルールは電気の合計を0にすること
イオンからできる物質は、全体として電気的に中性になる必要があります。
つまり、プラスの電気とマイナスの電気が同じ量になるように、イオンの数を決めます。
今回の場合は、カルシウムイオン1個では次のようになります。
Ca²⁺
このままだとプラスの電気が2個分あります。
そこで、マイナス2個分を用意する必要があります。
塩化物イオンは1個でCl⁻なので、2個集めると次のようになります。
Cl⁻ ＋ Cl⁻ ＝ 2Cl⁻
これでマイナスの電気が2個分になります。
Ca²⁺＋2Cl⁻からCaCl₂になる流れ
ここまでを式で整理すると、次のようになります。
Ca²⁺ ＋ Cl⁻ ＋ Cl⁻
カルシウムイオンは1個、塩化物イオンは2個あります。
イオンの数を化学式で表すときは、数字を元素記号の右下につけます。
Caは1個なので数字を書きません。
Clは2個あるので、Clの右下に2を書きます。
その結果、
CaCl₂
になります。
つまり、CaCl₂という式は「カルシウム1個と塩素2個が結びついている」という意味です。
なぜCa₂ClやCaClではダメなのか
組成式を作るときは、必ず電気の合計が0にならなければいけません。
例えばCaClの場合を考えると、
Ca²⁺ ＋ Cl⁻
となり、プラス2とマイナス1で合計がプラス1になります。まだ電気が余っているため、中性ではありません。
またCa₂Clの場合では、
Ca²⁺ ＋ Ca²⁺ ＋ Cl⁻
となり、プラス4に対してマイナス1しかないため、さらに電気のバランスが崩れています。
そのため、プラス2を打ち消すためにマイナス1を2個用意する必要があります。
組成式を作るときの簡単な考え方
イオンの組成式を作る問題では、「電荷の数字を入れ替える」と覚える方法があります。
今回の場合、
Ca²⁺ Cl⁻
数字だけを見ると、2と1です。
これを相手側の元素の数として使うと、
Ca₁Cl₂
になります。
ただし、1は化学式では省略するため、
CaCl₂
となります。
この方法は、Mg²⁺とCl⁻からMgCl₂を作る場合や、Al³⁺とO²⁻からAl₂O₃を作る場合などにも利用できます。
他の組成式で練習してみる
例えばアルミニウムイオンAl³⁺と酸化物イオンO²⁻の場合を考えます。
Al³⁺はプラス3、O²⁻はマイナス2なので、両方を打ち消すには最小公倍数の6にします。
Al³⁺を2個にするとプラス6、O²⁻を3個にするとマイナス6になります。
したがって組成式はAl₂O₃です。
このように、組成式は「電気の量を合わせる作業」と考えると理解しやすくなります。
まとめ
カルシウムイオンCa²⁺と塩化物イオンCl⁻からCaCl₂ができる理由は、イオン全体の電気を0にする必要があるためです。
Ca²⁺はプラス2の電気を持っているため、マイナス1のCl⁻が2個必要になります。
その結果、Ca²⁺＋2Cl⁻となり、化学式ではCaCl₂と表します。
組成式を作る問題では、まずイオンの電荷を確認し、プラスとマイナスの数が同じになるようにイオンの個数を決めることがポイントです。この考え方を身につければ、多くのイオン化合物の組成式を自分で作れるようになります。
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