化学結合シミュレータ（イオン・共有・金属）Chemical Bonding Simulator (Ionic, Covalent, Metallic)

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. NaがClに電子を1個渡してNa⁺とCl⁻になると、それぞれの粒子の大きさは中性の原子と比べてどうなると思いますか。When Na gives one electron to Cl to form Na⁺ and Cl⁻, how do you think the size of each particle will compare with the neutral atom?💡 Naの電子殻の数と、Clの最外殻の電子どうしの反発に注目しましょう。Think about the number of electron shells in Na, and about repulsion between the outer electrons of Cl.
2. 引き合う2つのイオンや原子は、どこまでも近づいてくっついてしまうと思いますか。Do you think two attracting ions or atoms will keep moving closer until they merge?💡 近づきすぎたとき、原子核どうしや内側の電子殻どうしの間に何が働くでしょうか。When they get very close, what acts between the two nuclei and between the inner electron shells?

2動かしてみようTry it

1. 「イオン結合」タブで「電子移動を実行」を押し、Naの最外殻電子1個がClへ移る様子と、ラベルが「Na原子 186 pm」「Cl原子 99 pm」から「Na⁺ 116 pm」「Cl⁻ 167 pm」に変わることを確認する。右下の電子の総数も見る。On the "Ionic" tab, press "Transfer electron" and watch one outer electron of Na move to Cl. Check that the labels change from "Na atom 186 pm" and "Cl atom 99 pm" to "Na⁺ 116 pm" and "Cl⁻ 167 pm", and look at the total electron count at the bottom right.
2. 「原子間距離」スライダーを240 pm、283 pm、500 pm、1400 pmに動かし、画面上部と下の表示が「反発」「安定(結合長)」「引力」「相互作用ほぼなし」のどれになるかを記録する。Move the "Distance" slider to 240 pm, 283 pm, 500 pm and 1400 pm, and record which state is shown at the top of the canvas and below the controls: "Repulsion", "Stable (bond length)", "Attraction" or "Almost no interaction".
3. 500 pmにして「手を離す」を押し、イオンがどの距離に落ち着くかを見る。左下の結晶格子の一部とエネルギー U(r) グラフの点の位置も確認する。Set 500 pm and press "Release", and see at what distance the ions settle. Also check the part of the crystal lattice at the lower left and the position of the dot on the Energy U(r) graph.
4. 「共有結合」タブに切り替えて2つのClが近づく様子を見たあと、「原子間距離」を150 pm、199 pm、300 pm、600 pmに変え、状態表示と「共有電子対」の組数、「各Clの最外殻」の表示を読む。Switch to the "Covalent" tab and watch the two Cl atoms approach. Then set "Distance" to 150 pm, 199 pm, 300 pm and 600 pm, and read the state, the number of shared pairs, and "Outer shell of each Cl".
5. 「金属結合」タブで「温度」を10 K、300 K、360 Kに変え、陽イオンの振動の大きさと自由電子の速さを比べる。On the "Metallic" tab, set "Temperature" to 10 K, 300 K and 360 K, and compare how much the positive ions vibrate and how fast the free electrons move.

3確かめようCheck

1. 電子移動の前後で、NaとClの半径と電子の総数はどう変わりましたか。How did the radii of Na and Cl and the total number of electrons change after the transfer?→ Naは186 pmからNa⁺の116 pmに小さくなり、Clは99 pmからCl⁻の167 pmに大きくなった。電子の総数は28個(Na 11 + Cl 17)のまま変わらない。Na shrank from 186 pm to 116 pm as Na⁺, and Cl grew from 99 pm to 167 pm as Cl⁻. The total number of electrons stayed at 28 (Na 11 + Cl 17).
2. Na⁺とCl⁻の距離が240 pm、283 pm、500 pm、1400 pmのとき、状態表示はそれぞれ何でしたか。「手を離す」とどこに落ち着きましたか。What state was shown for Na⁺–Cl⁻ distances of 240, 283, 500 and 1400 pm? Where did they settle after "Release"?→ 240 pmは「反発」、283 pmは「安定(結合長)」、500 pmは「引力」、1400 pmは「相互作用ほぼなし」(引力が最大値の10%未満)。手を離すと引き合って約283 pm(= 116 + 167)で落ち着いた。240 pm was "Repulsion", 283 pm "Stable (bond length)", 500 pm "Attraction", and 1400 pm "Almost no interaction" (attraction below 10% of its maximum). After release they pulled together and settled at about 283 pm (= 116 + 167).
3. 共有結合モードで、結合長199 pmのとき共有電子対は何組でしたか。各Clの最外殻の電子は何個になりましたか。In covalent mode at the bond length of 199 pm, how many shared pairs were there, and how many outer electrons did each Cl have?→ 共有電子対は1組(2個)。各Clは非共有電子対3組(6個)と共有電子対2個で最外殻8個(オクテット)になった。600 pmのように離れているときは共有電子対0組で、最外殻は7(不対電子1個)。One shared pair (2 electrons). Each Cl has 3 lone pairs (6) plus the 2 shared electrons, giving 8 outer electrons (an octet). When far apart, such as 600 pm, there are 0 shared pairs and each Cl has 7 (1 unpaired electron).
4. 金属結合モードで温度を変えると、陽イオンと自由電子の動きはどう変わりましたか。In metallic mode, how did the positive ions and free electrons change when you changed the temperature?→ 陽イオンは格子点のまわりで振動するだけで、最大変位は10 Kで約6 pm、360 Kで約39 pm(間隔372 pm)と大きくなるが、格子からは離れない。格子のすき間を動き回るのは自由電子だけで、速さは300 Kを1とすると10 Kで約0.18倍、360 Kで約1.10倍になった。The positive ions only vibrate around their lattice points; the maximum displacement grows from about 6 pm at 10 K to about 39 pm at 360 K (spacing 372 pm), but they never leave the lattice. Only the free electrons move through the gaps; their speed is about 0.18× at 10 K and 1.10× at 360 K compared with 300 K.

4考えようThink further

1. Cl⁻がCl原子より大きくなるのに、Na⁺がNa原子より小さくなるのはなぜでしょうか。Why does Cl⁻ become larger than the Cl atom, while Na⁺ becomes smaller than the Na atom?→ Naは最外殻(M殻)の電子1個を失うと電子殻が1つ減り(2,8)、さらに陽子11個が電子10個を引くので小さくなる。Clは電子が1個増えて(2,8,8)電子どうしの反発が強くなり、陽子17個が電子18個を引くので引きつけが相対的に弱まって大きくなる。When Na loses its single M-shell electron, it loses a whole shell (2,8), and 11 protons now pull on only 10 electrons, so it gets smaller. Cl gains an electron (2,8,8), so repulsion between electrons increases and 17 protons pull on 18 electrons, so the hold on each is weaker and it gets larger.
2. 金属が電気をよく通すことを、このシミュレーションの金属結合のモデルで説明しましょう。Use the metallic-bond model in this simulation to explain why metals conduct electricity well.→ 金属では価電子が特定の原子に属さない自由電子となり、陽イオンの格子のすき間を自由に動ける。電圧をかけるとこの自由電子が一方向に流れるので電流が流れる。陽イオンは格子点で振動するだけで、電気を運ばない。In a metal, the valence electrons become free electrons that do not belong to any one atom and can move freely through the gaps in the lattice of positive ions. When a voltage is applied, these free electrons drift in one direction, which is the electric current. The positive ions only vibrate at their lattice points and do not carry the current.

よくある誤解Common misconceptions

• 「イオンになっても原子の大きさは変わらない」という誤解。陽イオンは元の原子より小さく、陰イオンは元の原子より大きくなる(Na 186→116 pm、Cl 99→167 pm)。"An atom keeps its size when it becomes an ion." Positive ions are smaller and negative ions are larger than their atoms (Na 186→116 pm, Cl 99→167 pm).
• 「引き合う原子は近ければ近いほど安定する」という誤解。近づきすぎると原子核や内殻の反発が支配的になるので、引力と反発がつり合う結合長で最も安定する。"Attracting atoms are most stable when they are as close as possible." Too close, repulsion between nuclei and inner shells dominates, so they are most stable at the bond length where attraction and repulsion balance.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)