高校化学基礎 金属結合と結晶—自由電子と粒子の並びから物性を説明する｜武蔵野個別指導塾

固体の銅と塩化ナトリウムの電気伝導を比べ、自由電子とイオンの移動の違いから理由を説明する練習に進めます。

よくあるのは、高校生が金属が電流を通す理由をイオンの移動とする場面です。金属中にも陽イオンに相当する部分はありますが、固体の金属で電気を運ぶ主役は自由電子です。どの粒子が、どこを動けるのかを区別すると、電気伝導だけでなく金属の延びやすさも説明しやすくなります。

結晶を比べるときは、名前と性質をばらばらに覚えるより、まず構成粒子とその間にはたらく力を押さえます。ここでは金属結合と、イオン結晶、分子結晶、共有結合の結晶を比べます。格子定数の計算には立ち入りません。

問題文のどこに注目するか

定期テストでは、第一に「固体で電気を通す理由を粒子の名を使って説明する」という型があります。金属の陽イオンと自由電子の両方を挙げたうえで、移動できるのはどちらかを明記します。「電荷がある粒子がある」と書くだけでは、固体中で動けるかどうかが読み取れません。

第二に、物質名や粒子の説明から結晶の種類を選ぶ型があります。構成粒子を原子、分子、陽イオンと陰イオンのどれとして捉えるか、粒子間を何が結びつけているかを順に確かめます。物質名に含まれる元素の印象だけで判断すると、分子からなる固体と原子が共有結合で連なった固体を混同しやすくなります。

第三に、性質の違いを理由とともに記述する型があります。金属をたたくと広がることと、イオン結晶が割れやすいことを比べる場合は、力を加えた後の並びまで追います。結論に「自由電子」「同符号のイオンの反発」などの原因をつなげると、性質の暗記で止まりません。

金属の中で動く粒子と4種類の結晶

金属原子の価電子の一部は、特定の原子に属さず結晶中を動き回れる自由電子になります。残った部分を金属陽イオンとして表すと、並んだ金属陽イオンと自由電子の間に静電気的な引力がはたらき、金属全体を結びつけます。これが金属結合です。図1はこの関係を簡略化した模式図で、実際の粒子の大きさや個数比を示すものではありません。

図1のように、自由電子は特定の2個の金属陽イオンの間に固定されたものではありません。電圧をかけると自由電子が偏りをもって移動するため、固体の金属は電気を通します。金属陽イオンは固体中で一定の位置のまわりにあり、電流を運ぶために結晶の端から端へ移動するわけではありません。自由電子は熱の伝わりやすさにも関係します。

金属には、たたくと薄く広がる展性や、引くと細く延びる延性があります。力を受けて陽イオンの層がずれても、自由電子が金属陽イオン同士を引きつける結びつきを保てるためです。実際の変形のしやすさは金属や条件によって異なりますが、説明の中心は層がずれた後にも金属結合が続く点です。

比べる3種類も、構成粒子と力を分けて整理します。イオン結晶は陽イオンと陰イオンが静電気的な引力で規則正しく並んだものです。固体ではイオンが一定の位置に保たれ、電気を運ぶために自由に移動できません。一方、融解するとイオンが移動できるため、電気を通します。水溶液についても、溶けて生じたイオンが移動できる場合は電気を通します。

分子結晶は分子が分子間力で集まった結晶です。分子の内部の共有結合と、分子同士にはたらく分子間力は別です。一般に分子間力は共有結合より弱く、分子結晶は比較的融点が低いものが多くあります。固体中には電気を運ぶ自由な荷電粒子がほとんどなく、通常は電気を通しません。

共有結合の結晶では、原子が共有結合によって結晶全体に連なります。強い共有結合の網目を切るには大きなエネルギーが必要で、一般に融点が高く、硬いものが多いです。ただし黒鉛は電気を通すため、「共有結合の結晶は必ず不導体」とは言えません。黒鉛では層内に動ける電子があり、層に沿って電気を通します。性質を結晶の種類だけで絶対化せず、問われた物質の特徴を確認します。

基本例題：固体と融解した状態を分ける

問題：固体の銅と固体の塩化ナトリウムについて、次の問いに答えなさい。銅は金属結晶、塩化ナトリウムはイオン結晶とします。(1) 固体で電気を通す方を1つ選び、移動する粒子の名称を添えて理由を書きなさい。(2) 塩化ナトリウムを融解したときに電気を通す理由を、固体との違いに触れて書きなさい。

図2のように、まず状態を固体にそろえ、移動できる荷電粒子があるかを調べます。図は粒子の種類と移動の可否を整理するもので、粒子の個数や実際の位置関係を表していません。

1. 答えは銅です。考える順序を省かずに書くと、次のようになります。

銅は金属結晶です。
金属中には結晶内を移動できる自由電子があります。
電圧をかけると自由電子が移動し、電荷を運びます。
したがって固体の銅は電気を通します。

塩化ナトリウムの固体には、ナトリウムイオンと塩化物イオンがあります。しかし、それぞれは結晶中で一定の位置に保たれ、電荷を運ぶために自由に移動できません。イオンが存在することと、イオンが移動できることは別の条件です。答えを元の場面に戻すと、固体の銅では自由電子が動き、固体の塩化ナトリウムではイオンが自由に動けないため、選んだ銅と条件が一致します。

2. 融解するとイオンの規則正しい配列が崩れ、陽イオンと陰イオンがそれぞれ移動できるようになります。そのため融解した塩化ナトリウムは電気を通します。ここで運ぶ粒子を自由電子とすると、金属の説明が混ざります。融解しても粒子の電荷の符号が消えるわけではなく、動けるようになることが変化の要点です。

この問題では数値計算よりも、状態と粒子を取り違えないことが必要です。「固体か融解状態か」を先に書き、その横に「何が動くか」を書くと、異なる場面を同じ理由で処理する失敗を防げます。図2の各行を文章に戻して、状態と粒子が対応しているか確かめましょう。

条件が変わると結論も変わる例題

問題：ヨウ素の固体はヨウ素分子からなる分子結晶、ダイヤモンドは炭素原子が共有結合で連なった結晶とします。(1) 比較的融点が低い方を1つ選び、固体を構成する粒子の間にはたらく力を使って理由を書きなさい。(2) ダイヤモンドの硬さを、構成粒子と結合の広がりに触れて説明しなさい。

1. 答えはヨウ素の固体です。固体のヨウ素では、分子と分子の間に分子間力がはたらいています。ダイヤモンドでは、原子同士が強い共有結合で結晶全体に連なっています。分子の集まりを離す場合と、原子をつなぐ共有結合の網目を切る場合を比べると、前者は比較的少ないエネルギーで変化します。

ここで「ヨウ素の共有結合が分子間力より弱い」と書いてはいけません。ヨウ素分子の内部にも共有結合がありますが、分子結晶を考える際に注目するのは隣り合う分子の間です。結合の場所を、分子の内側と分子同士の間に分けることが判断の分かれ目です。

2. ダイヤモンドでは炭素原子が共有結合で立体的に連なっているため、硬いと説明できます。元の条件に戻ると、問題文の「炭素原子が共有結合で連なる」という情報が、硬さの根拠に対応します。原子が連なることを「分子が並ぶ」と言い換えると、問題の設定とずれてしまいます。

融点は、加熱によって固体の並びを崩す際にどの力が関係するかで考えます。ただし性質は条件や個々の物質によって異なります。種類名から機械的に結論を出すのではなく、問題で示された粒子の並びを根拠として答えを作ります。

誤答を粒子の動きまで戻して直す

誤答は「金属陽イオンが固体中を移動するので、金属は電気を通す」です。原因は、電荷を持つ粒子が見つかった段階で、その粒子が自由に移動できるかを確かめていないことです。修正すると「金属中を自由電子が移動して電荷を運ぶので、固体の金属は電気を通す」となります。

図3のように、金属陽イオンの並びと自由電子を別々に追います。図は電圧をかけたときの自由電子の移動を表す模式図で、矢印は電子の移動方向を示します。陽イオンの位置が固定されるという表現は、振動も全くしないという意味ではありません。固体内を電荷運搬のために自由に移動しないという意味です。

別の誤答として「イオン結晶はイオンを含むので固体でも電気を通す」があります。イオンの有無だけを見て、固体という条件を落としたことが原因です。「固体ではイオンが自由に移動できないので通しにくく、融解するとイオンが移動できて通す」と状態を付けて直します。

さらに「分子結晶は共有結合で分子同士が結びつく」という誤答もあります。分子内の結合と分子間の力が混ざったことが原因です。「分子同士は分子間力で集まる」と直し、分子内部の共有結合とは別の場所を指しているか、図や言葉で確認します。

練習問題

次の4問は、指定された状態と粒子に注目して答えてください。記述では問いに指定した語を使います。

1. 固体のアルミニウムが電気を通す理由を、「自由電子」「移動」の2語を使って説明しなさい。
2. 固体の臭化カリウムはイオン結晶です。固体と融解した状態のうち、電気を通す状態を1つ選び、「イオン」を使って理由を書きなさい。
3. 固体の二酸化炭素は二酸化炭素分子が集まった分子結晶です。分子同士にはたらく力の名称を1つ答え、分子内部の結合と区別して説明しなさい。
4. 金属を薄く広げられる理由を、「金属陽イオン」「自由電子」「ずれ」の3語を使って説明しなさい。また、イオン結晶に力を加えて層がずれると割れやすい理由を、電荷の符号に触れて説明しなさい。

練習の答えと考え方

1. 金属中の自由電子が移動して電荷を運ぶからです。金属陽イオンも存在しますが、固体中を電荷運搬のために自由に移動する粒子として選ぶのは自由電子です。条件のアルミニウムを金属結晶として捉え直すと、自由電子による伝導と対応します。

2. 融解した状態です。融解するとカリウムイオンと臭化物イオンが移動でき、電荷を運ぶからです。固体ではイオンは一定の位置に保たれて自由に動けません。答えを問題に戻し、同じ物質でも固体と融解状態で移動の可否が変わると確認します。

3. 分子間力です。固体中で二酸化炭素分子同士を引きつける力を指し、1個の分子の中で原子同士を結ぶ共有結合とは異なります。問いは分子同士の間についてなので、分子内部の結合名を答えると場所が合いません。

4. 金属陽イオンの層にずれが生じても、自由電子が金属陽イオンを引きつけるため、結びつきを保ちながら形を変えられます。イオン結晶では層がずれると同じ符号のイオンが近づき、反発して割れやすくなります。元の2つの結晶に戻し、前者は自由電子による結びつき、後者は同符号の反発を理由にしているか確かめます。

金属の変形を「陽イオン同士が引き合うから」とすると、同符号の電荷が反発することと合いません。またイオン結晶の割れやすさを「イオンが消えるから」とすると、粒子が保存されるという問題の場面から離れます。層のずれの前後で、どの粒子が隣に来るかを言葉で追って修正します。

覚えておくこと

金属結合は金属陽イオンと自由電子の間の引力です。
固体金属の電流は移動する自由電子が担います。
イオン結晶では固体と融解状態でイオンの動きが異なります。
分子間力と共有結合を区別し、黒鉛の電気伝導にも注意します。

説明が止まった場所を見つける

電気を通すかどうかの答えは合っていても、理由を尋ねると「電気を通す性質だから」と繰り返してしまうことがあります。その場合は、結晶の名前、荷電粒子の名前、指定された状態での移動の可否を順に口に出してみます。どこで言葉が途切れたかで、分類につまずいたのか、粒子の動きにつまずいたのかを見分けられます。

個別指導で確かめるなら、固体の金属と融解したイオン結晶を並べ、動く粒子をそれぞれ指して説明する練習が役立ちます。次に力を加えた後の粒子の並びを描き、金属とイオン結晶の違いを説明します。結晶の性質は、粒子とその動きに戻すと筋道を立てて表せます。