化学状態

化学元素の化学状態は、それ自体または 1 つ以上の他の元素のグループとの組み合わせで存在する電子的、化学的、物理的特性によるものです。金属陽イオンについて言えば、化学状態は「酸化状態」として定義されることがよくあります。有機材料について言えば、化学状態は通常、結合した複数の元素のグループである化学グループとして定義されます。^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]}材料科学者、固体物理学者、分析化学者、表面科学者、分光学者は、材料の表面またはバルク領域の化学的、物理的、および/または電子的性質が 1 つ以上の化学状態を持つか存在するものとして説明または特徴付けます。

化学状態セットは、化学種、官能基、陰イオン、陽イオン、酸化状態、化合物、元素の元素形態という従属グループとエンティティで構成され、これらを包含します。

この用語またはフレーズは、次のような分析手法からデータを解釈するときによく使用されます。

• オージェ電子分光法（AES）
• エネルギー分散型X線分光法（EDS、EDX）
• 赤外分光法（IR、FT-IR、ATR）
• 液体クロマトグラフィー（LC、HPLC）
• 質量分析（MS、ToF-SIMS、D-SIMS）
• 核磁気共鳴（NMR、H-NMR、C-NMR、X-NMR）
• 光電子分光法（PES、UPS）
• ラマン分光法（FT-ラマン）
• 紫外可視分光法（UV-Vis）
• X線光電子分光法（XPS、ESCA）
• 波長分散型X線分光法（WDX、WDS）

元素群の化学状態は、他の類似の元素群の化学状態と類似しているものの、同一ではない場合があります。これは、2 つの群が同じ元素の比率が異なり、さまざまな分光技術で検出できる異なる化学的、電子的、物理的特性を示すためです。

化学状態は固体材料の表面上または内部に存在する可能性があり、その材料の表面にある他の化学種から分離または隔離されることがほとんどですが、常にそうであるとは限りません。表面科学者、分光学者、化学分析者、および材料科学者は、固体材料の表面上および表面付近で検出された化学種、官能基、陰イオン、または陽イオンの化学的性質をその化学状態として頻繁に説明します。

化学状態が酸化状態、陰イオン、陽イオンとどう違うのかを理解するには、フッ化ナトリウム (NaF) とポリテトラフルオロエチレン(PTFE、テフロン) を比較してみましょう。どちらも最も電気陰性度の高い元素であるフッ素を含んでいますが、NaF だけが水に溶けて Na ⁺と F ⁻という別々のイオンを形成します。フッ素の電気陰性度は、炭素とフッ素の間に存在する電子密度を強く分極させますが、水に溶けるイオンを生成するほどではありません。テフロン (PTFE) の炭素とフッ素は共有結合を形成するため、どちらも電子電荷がゼロですが、これらの元素の酸化状態がゼロであると主張する科学者はほとんどいません。一方、多くの元素は、純粋な形では、酸化状態がゼロであるとよく説明されます。これは、長年にわたって維持されてきた命名法の属性の 1 つです。

元素の化学状態は、その酸化状態と混同されることがよくあります。非ゼロのイオン電荷を持つ元素または元素群の化学状態、たとえば (1+)、(2+)、(3+)、(1-)、(2-)、(3-) は、その元素または元素群の酸化状態として定義されます。イオン電荷を持つ元素または化学群は通常、水または他の極性溶媒のいずれかに溶解してイオンを形成できます。このような化合物または塩は、イオン結合を持つイオン化合物として説明されます。これは、実際には、1 つ以上の価電子の電子密度のすべてが、より電気陰性度の低い元素群からより電気陰性度の高い元素群に移動していることを意味します。非イオン性化合物の場合、化学結合は非イオン性であるため、化合物は水または他の極性溶媒に溶解しない可能性があります。多くの非イオン性化合物は、それらを結合する電子密度を共有する化学結合を持っています。このタイプの化学結合は、非極性共有結合または極性共有結合のいずれかです。

官能基は、化学種や化学基と非常によく似ています。化学基または化学種は、さまざまな分光法で分析すると、独特の反応挙動や独特のスペクトル信号を示します。これらの 3 つのグループは、有機分子内に存在する元素のグループを説明するためによく使用されます。

以下の中性化合物、陰イオン、陽イオン、官能基、化学種のリストは、固体材料の表面または大部分の一部でありながら、独特の「化学状態」を示す、または持つことができる多くの元素グループの部分的なリストです。

• X線光電子分光法
• 光電子分光法