例えば、水素ガス(H2)と酸素ガス(O2)を混ぜるとします。 どうなりますか? 何も起こりません。 火花のようなエネルギーを加えなければ、何も起こりません。 エネルギーを加えると、爆発が起こり、水素と酸素(の一部)が水(H2O)になります。
この反応がエネルギーを放出するのは明らかですが、そのエネルギーはどこから来たのでしょうか?
ここで、意外にもよくある答えがあります。
VeritasiumのDerek Muller氏が指摘するように、化学結合にエネルギーが蓄えられているという考え方は非常に間違っています。
原子結合モデル
1つの水素原子が別の水素と相互作用して水素分子(H2)を形成するとき、さまざまなことが起こっています。 しかし、基本的な相互作用の1つは、陽子と電子の間の静電力によるものです。 もちろん、量子力学的な効果もありますが、ここでは簡単なモデルで説明します。 このモデルでは、ある種の電気的な力で引き寄せられている2つの水素原子があります。 2つの水素原子が近づくと、別の力が働いて2つの原子が反発します。 穏やかにするために、抗力を加えます。
何に気づくでしょうか?
- 2つの原子の間には引力があります。
- 近づくにつれて、2つの原子の運動エネルギーは大きくなります。
- 2つの原子が互いに衝突するのを防ぐものがあります。
- エネルギーを失うからといって、原子が振動し続けるわけではありません(これは周囲を加熱するようなものです)。
- 水素原子は黄色です(でも、もう知っているはずです)。
もしこのシステムをエネルギーの観点から考えたいのであれば、この2つの水素原子の位置エネルギーのスケッチを見るとよいでしょう。
水素原子は、ポテンシャル曲線のような形をした丘の上を転がるボールのようなものだと想像できます。 丘を下るにつれて速度が増し、「丘」を上るにつれて速度が落ちて元に戻ることがわかると思います。 しかし、ここで重要なのは、もしボールが曲線の底にあったとしたら、坂を上るためにはエネルギーを加えなければならないということです。
エネルギーはどこから来るのか
水素と酸素の例に戻ってみましょう。 この反応を起こせば、確かに多くのエネルギーを得ることができます。 しかし、このエネルギーは、水素と水素の結合からも、酸素と酸素の結合からも得られません。 エネルギーは、水の中で水素-酸素結合が形成されることによって得られるのです。 別のエネルギーのスケッチが役に立つかもしれません。 気体と水のエネルギーを次のように表すとします。
そのボールをカーブの下の部分(水の部分)に移動させるには、ちょっとしたエネルギーが必要です。 しかし、その分、多くのエネルギーを得ることができます。 しかし、水の結合にはまだエネルギーが蓄えられていません。
もうひとつの分子モデル
化学結合のエネルギーに関する混乱が、Derek Muller氏が新しい分子モデル「Snatoms」に取り組んでいる理由のひとつです。
大学や高校で習ったボールや棒の分子モデルを覚えているでしょう。 スナトムも似ていますが、棒の代わりに磁石を使っています。 磁石による接続には2つの利点があります。 1つ目は、原子がカチッとくっつくので、すぐに組み立てることができます。 第二に(そしてより重要なことですが)、生徒は原子を引き寄せる力があることを感じることができます。 また、原子を引き離すのに必要な力も感じることができます。
もちろん、Snatomsは単なるモデルにすぎません。 分子のすべてを完全に表現しているわけではありませんが、少なくともエネルギー-結合の問題には役立つはずです。