高校化学 結晶の種類と物性—電気を運ぶ粒子と結合から性質を判定する｜武蔵野個別指導塾

固体と融液で動ける粒子を比べ、導電性や硬さの理由を考える鍵は結晶の種類と物性です。

よくあるのは、高校生が融解したイオン結晶の伝導を自由電子で説明する場面です。電気が通るという結果は合っていても、運び手を取り違えると、固体では通りにくい理由を説明できません。粒子が電荷をもち、物質の中を移動できるかを、状態ごとに考えます。

物性から何を読み取るか

結晶は、構成粒子が規則正しく配列した固体です。問題では、まず物質名から結晶の種類を選び、粒子どうしを何が結び付けているかを問われます。次に固体や融液の導電性、硬さ、融点などを結び付けます。さらに、複数の観察結果から候補を絞り、その根拠を説明する問題もあります。

答えを出す順序は、構成粒子、粒子間の結び付き、移動できる荷電粒子、という流れです。融液は固体を融解させて得た液体を指します。水溶液とは別の状態なので、融液について問われたら水に溶けるかどうかを根拠にしません。以下では典型的な純物質を扱い、半導体の理論には踏み込みません。

粒子と結び付きから考える

図1のように、4種類の結晶は構成粒子と結び付きで区別します。図は粒子の配置を簡略化した模式図で、実際の個数や距離を表すものではありません。

イオン結晶は陽イオンと陰イオンが静電気的な引力で結び付いた結晶です。塩化ナトリウム NaCl では、正負のイオンが繰り返し並びます。結晶全体は電気的に中性ですが、各イオンは電荷をもっています。固体ではイオンはそれぞれの位置の周りで振動していても、結晶内を自由に移動できないため、通常は電流を運べません。融解するとイオンが移動でき、電場によって正負のイオンがそれぞれ反対向きに動いて電流を運びます。

分子結晶は分子が分子間力によって集まった結晶です。例えばヨウ素 I₂ の結晶では、分子内の原子は共有結合で結ばれ、分子どうしは分子間力で引き合います。融解の際に主に弱められるのは分子間の結び付きであり、I₂ 分子の共有結合がすべて切れるという意味ではありません。分子間力は一般にイオン結合や共有結合に比べて弱いため、分子結晶は比較的融点が低く、軟らかいものが多いです。通常、動けるイオンや自由電子をもたないので、固体でも融液でも電気を通しません。

共有結合の結晶では、原子が共有結合によって広い範囲につながります。ダイヤモンドでは炭素原子が立体的につながり、強い結合の網目をつくります。固体を変形させるには多くの共有結合に関わるため、非常に硬い性質と結び付けられます。固体中に自由に動ける荷電粒子がないので、電気を通しません。共有結合を含むという点は分子結晶にも共通しますが、共有結合が分子の内部に限られるか、結晶全体に広がるかが区別の要点です。

金属結晶では、金属原子から離れて結晶中を動き回る自由電子と、金属の陽イオンとの間の引力が金属結合をつくります。固体でも自由電子が移動できるため、電気を通します。一般に融液でも電子が電流を運びます。また、力を加えて粒子の並びがずれても金属結合が保たれやすく、薄く広げたり線状に延ばしたりできる金属が多いです。

ただし、性質は一語で例外なく決められません。共有結合の結晶の黒鉛は、層内で炭素原子が共有結合で結ばれ、移動できる電子をもつため電気を通します。層どうしの結び付きは弱く、層がずれやすいこともダイヤモンドとの違いです。硬さや導電性を結晶の種類から推測した後、具体的な構造が与えられたらその情報で判断し直します。

硬さと変形を説明する

イオン結晶に力を加えてイオンの層がずれると、同符号のイオンが向かい合う位置関係になり、反発によって割れやすくなります。硬いという性質と、衝撃で割れやすいという性質は両立します。一方、金属では層がずれても自由電子を介した引力が働き、結晶がまとまりを保ちやすいと考えます。硬さの大小だけでなく、力を加えたときにどの結び付きがどう変わるかを書くと、説明が具体的になります。

融点についても同じように、粒子を引き離す際に弱める結び付きを考えます。分子結晶では分子間力、イオン結晶では正負のイオン間の引力が目安です。ただし物質ごとに結び付きの強さや構造が異なるため、値を与えられていない2物質の融点を、分類名だけで必ず大小判定できるとは限りません。与件の比較を一般的な傾向と混同しないことが必要です。

観察の限界

固体の導電性を調べるとき、測定器に反応が出ないことと、試料に荷電粒子が存在しないことは同義ではありません。電極と試料の間が接触していなければ、導体でも電流を検出できない場合があります。また、わずかな水分や不純物が結果に影響することもあります。結晶の分類を推測するときは、試料の状態と測定条件をそろえ、別の性質も合わせて判断します。

状態を変えて運び手を探す

基本例題

NaCl の結晶について、固体と融液のそれぞれで電気が流れるか答え、流れる場合は運び手を示してください。純粋な試料とし、水は加えないものとします。

固体では電気はほとんど流れません。正負のイオンは存在しますが、規則的な位置に束縛されているからです。融液では電気が流れ、運び手は移動できる Na⁺ と Cl⁻ です。図2のように、固体から融液への変化でイオン自体が消えるのではなく、その移動のしやすさが変わります。

正の電極側に陰イオン、負の電極側に陽イオンが移動します。反対向きの電荷の移動は、どちらも同じ向きの電流に寄与します。電子が金属の導線を流れることと、融液内でイオンが電荷を運ぶことを混ぜないでください。

標準例題

純粋なヨウ素 I₂、ダイヤモンド、銅 Cu の固体を比べます。それぞれの結晶の種類と構成粒子を答え、通常の固体での導電性を説明してください。

ヨウ素は I₂ 分子からなる分子結晶で、自由に移動できる荷電粒子がないため電気を通しません。ダイヤモンドは炭素原子が共有結合で網目状につながる共有結合の結晶で、固体では電気を通しません。銅は金属結晶で、金属の陽イオンと自由電子のモデルで表せます。自由電子が動けるため、固体でも電気を通します。

ここで、銅の固体にイオンが含まれるというモデルから、イオンが固体内を自由に泳いで電流を運ぶと結論してはいけません。金属結晶では主な運び手は自由電子です。ヨウ素にも電子はありますが、電流を運ぶ自由電子として結晶内を移動できるわけではありません。「電子が存在する」と「自由電子が移動できる」を分けます。

観察の組合せで候補を絞る

発展例題

候補は塩化ナトリウム、ヨウ素、銅、ダイヤモンドの4種類です。純粋な試料 X は固体では電気をほとんど通さず、融液では電気を通します。試料 Y は固体でも電気を通し、たたくと薄く広がります。X と Y を候補からそれぞれ選び、根拠を述べてください。性質はこの問題での与件とします。

X は塩化ナトリウムです。固体では位置に束縛されたイオンが、融液では移動できるようになるからです。Y は銅です。固体中の自由電子が電流を運び、金属結合のため変形しても結合が保たれやすいからです。

別の考え方では、まず固体で導電性のある候補を探します。この4種類では銅が Y に対応します。残った3種類のうち、融液で移動できるイオンをもつものが X です。ヨウ素は分子からなり、ダイヤモンドは炭素原子の網目なので、与えられた融液でのイオン伝導という根拠には当てはまりません。候補を消去するときも、候補外の黒鉛などまで存在しないと主張しているわけではないことに注意します。

この問題は、固体で通すという観察だけで一般に金属と断定できないことも示します。黒鉛のような例があるためです。候補の範囲と、変形の性質という追加条件を明示して初めて、Y を絞り込めます。複数の観察が同じ結論を支えるか、答えを条件に戻して確かめます。

間違いを粒子の動きまで戻す

「NaCl は融けると自由電子が現れるので導電性を示す」という答案を考えます。結論の導電性は正しくても、運び手は誤りです。NaCl は正負のイオンからなり、融解によってイオンが移動できるようになります。図3のように、金属の自由電子とイオン結晶のイオンを区別すれば、固体での違いも説明できます。

もう1つの誤りは「共有結合がある物質はすべて共有結合の結晶」とすることです。I₂ 分子の内部に共有結合はありますが、その結晶では分子どうしが分子間力で集まっています。結晶をつくる単位を先に決めてから、その単位間の結び付きを答えます。逆に、ダイヤモンドを小さな独立分子の集まりとして描くと、その硬さを説明できません。

学校の指導の下で固体と融液の導電性を観察する場合、同じ電極や測定器を用い、電極間の距離、試料の状態、温度を記録します。試料の汚れや水分、電極の接触不良は結果の解釈を難しくします。固体で反応が見られなかったとしても、接触不良で電流を検出できなかった可能性を点検し、既知の導電体で装置が働くか確かめます。融液でも、十分に融けていない場合や装置が故障した場合は、観察結果だけから運び手を断定できません。測定の成否と、粒子モデルからの予測を分けて記録します。

練習問題

次の問題はそれぞれ独立しています。性質や数値を与えたものは練習用の条件です。

1. 塩化マグネシウム MgCl₂ の純粋な結晶とその融液について、導電性の有無と、融液で電流を運ぶ粒子を答えてください。
2. 固体のドライアイス CO₂ は CO₂ 分子が集まってできます。結晶の種類と分子どうしの結び付きを答え、分子内の結合と区別してください。
3. 黒鉛とダイヤモンドはいずれも炭素からなる共有結合の結晶です。固体で電気を通すものを選び、その理由を述べてください。
4. 候補が銅、ヨウ素、塩化ナトリウムの3種類である試料 A、B、C があります。A は固体で電気を通し、B は固体では通さず融液で通し、C は固体でも融液でも通しません。それぞれを選び、条件と照合してください。
5. イオン結晶 MX₂ が融けた試料で、M²⁺ が 0.30 mol あります。式単位の数の比に従って X⁻ の物質量を求め、正負の電荷の大きさが等しいことを確かめてください。答えは mol 単位で有効数字2桁とします。融解によって粒子の種類や数は変わらないものとします。

練習の解答

1. 固体ではほとんど電気を通さず、融液では通します。融液では Mg²⁺ と Cl⁻ が電流を運びます。固体でもイオンはありますが、結晶内を自由に移動できません。

2. 分子結晶です。CO₂ 分子どうしは分子間力で引き合います。各分子の中では炭素原子と酸素原子が共有結合で結ばれています。分子間の引力と分子内の結合は別です。

3. 黒鉛です。黒鉛には結晶内を移動できる電子があります。ダイヤモンドでは炭素原子が立体的な網目をつくり、電流を運ぶ自由電子がないため、固体で電気を通しません。同じ炭素でも結合の広がり方が異なります。

4. A は銅、B は塩化ナトリウム、C はヨウ素です。銅は固体中の自由電子、塩化ナトリウムの融液は移動できるイオンによって電流を運びます。ヨウ素にはそのどちらもありません。各候補の固体と融液の性質を問題の3つの組に戻すと、いずれも一致します。

5. 式単位 MX₂ 中の M²⁺ と X⁻ の個数比は 1:2 です。したがって X⁻ は 0.30 mol × 2 = 0.60 mol です。電荷の大きさを電気素量を単位として物質量で比べると、正側は 0.30 × 2 = 0.60、負側は 0.60 × 1 = 0.60 です。正負はつり合い、元の式の比にも戻ります。

見直しの要点

• 結晶をつくる粒子と、その間の結び付きを先に決めます。
• 導電性には、電荷をもち移動できる粒子が必要です。
• イオン結晶の融液はイオン、金属は主に自由電子が電流を運びます。
• 分子内の共有結合と分子間力を区別します。
• 黒鉛のように具体的な構造による違いも確かめます。

答案を見直すとき

個別指導では、固体と融液の欄に運び手の名前を書き、矢印で移動できるか示してもらいます。誤りがあれば、粒子の存在そのものを否定したのか、存在しても移動できないことを見落としたのかを確かめます。性質だけを暗記した答案には、構成粒子から結び付き、移動の可否へと理由をつなげてもらいます。結晶の性質は、動ける粒子を具体的に描くと筋道が見えます。