共通テスト化学基礎の化学結合｜物性の比較から粒子と結晶の違いを説明する｜武蔵野個別指導塾

塩化ナトリウムの固体と水溶液を比べ、電荷をもつ粒子の存在と移動の違いから電気伝導の理由を説明します。

よくあるのは、固体と水溶液の電気伝導を見比べる表で、同じ物質なのに結果が変わる理由を考える場面です。固体で電流が流れなかった物質に、水を加えると流れることがあります。「物質名を覚えているか」だけで判断すると、この変化を説明しにくくなります。どんな粒子があり、その状態で電荷を運ぶ粒子が動けるかを順に追うと、表の各列がつながります。

表から結晶へ戻る

資料を読む型の1つは、固体と水溶液の伝導の組を比べ、粒子の状態を説明するものです。固体で流れず、水溶液で流れた場合、固体内で動きにくかったイオンが、水中では移動できると考えられます。ただし、水に溶かして試したという条件や、その物質が水中でイオンになるという情報が必要です。

別の型では、融点や硬さなどと伝導の情報を合わせ、候補の結晶を比較します。高い融点という1項目からイオン結晶と断定することはできません。共有結合の結晶にも高い融点をもつものがあります。逆に、ある条件の伝導結果が同じでも、粒子の種類まで同じとは限りません。

もう1つは、説明文の誤りを探す型です。たとえば「電気を通さない固体には電荷をもつ粒子が存在しない」とする文は、イオン結晶を考えると成り立ちません。存在することと、試した状態で移動できることを分けて読みます。ここで扱うのは結晶と電気伝導の関係であり、電子式や分子の形の詳しい決め方には踏み込みません。

粒子と動きの対応をつかむ

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つき、規則正しく配列した結晶です。塩化ナトリウムでは Na⁺ と Cl⁻ が並びます。固体中にも電荷はありますが、イオンはそれぞれの位置付近にあり、結晶全体を自由に移動できません。このため、通常の固体の状態では電流を通しません。

塩化ナトリウムを水に溶かすと、イオンが水中に分かれて存在し、移動できるようになります。水溶液に電圧をかけると陽イオンと陰イオンがそれぞれ移動し、電荷が運ばれます。溶かしたことで電荷が新しく作られたのではなく、もともと結晶にあったイオンが動ける状態になったと考えます。結晶全体では陽電荷と陰電荷の合計がつり合っています。

図1のように、まず状態を確かめ、次に動く粒子を考えます。融解した塩化ナトリウムでも、イオンが移動できるため電流を通します。融解は固体が液体になる変化で、水に溶けることとは異なります。資料にどちらが書かれているかを見落とさないようにします。

分子結晶は、分子が分子間力によって集まった結晶です。たとえば氷は水分子からなり、分子どうしは結びついていますが、結晶全体が共有結合でつながっているわけではありません。多くの分子結晶は比較的融点が低く、固体では電気を通しません。分子からなる物質の水溶液については、溶けた分子が水中でイオンを生じるかを別に調べる必要があります。分子からなるという情報だけで水溶液の伝導を一律に決めることはできません。

共有結合の結晶では、原子が共有結合で広い範囲につながっています。ダイヤモンドは炭素原子が立体的に結びついた例で、硬く、通常は電気を通しません。同じ炭素からなる黒鉛は層状の構造をもち、層に沿って動ける電子があるため電気を通します。したがって共有結合の結晶という分類から、伝導しないと例外なく決めるのは誤りです。

金属結晶は金属原子に由来する陽イオンと、結晶内を動ける自由電子との間の結びつきで成り立ちます。銅の固体では自由電子が電荷を運ぶため電気を通します。金属の固体の伝導を、固体中をイオンが自由に動くためだと説明しないようにします。たたくと広がりやすい性質や引き伸ばしやすい性質も金属の判断材料ですが、それぞれの材料の状態や測定条件をそろえる必要があります。

基本例題：2つの状態を並べる

次の表は、塩化ナトリウムと砂糖について作成した資料です。砂糖は水中で分子として存在し、イオンを生じないものとします。使用した水自体の電気伝導は無視できるものとし、いずれも十分に水に溶かして調べます。表の「通す」「通さない」は、それぞれの条件での判定です。

問：各物質の固体の結晶を、イオン結晶または分子結晶から選び、水溶液の判定が異なる理由を粒子の種類と動きに触れて説明してください。選択した分類と説明を文章で答えます。

解き方は、まず物質ごとに横向きに読みます。塩化ナトリウムの固体は通さず、水溶液は通します。砂糖はどちらの状態でも通しません。両方の固体が通さないという共通点だけでは、水溶液にしたときの差を説明できません。

図2のように塩化ナトリウムでは、固体中の Na⁺ と Cl⁻ が規則正しく並んでいます。水に溶けるとイオンが水中を移動できるので、水溶液は電気を通します。砂糖の固体は分子結晶で、水に溶けてもこの条件では電荷を運ぶイオンが生じないため、電気を通しません。答えは、塩化ナトリウムがイオン結晶、砂糖が分子結晶です。

ここでは表の値から候補を選び、粒子についての条件で理由を補いました。水溶液で通さない理由を「水に溶けないから」と書くと、問題文の十分に溶けたという条件に反します。また、塩化ナトリウムの水溶液で動く粒子を電子とすると、固体の銅での伝導と混同します。求められた説明には、粒子名とその状態での移動の両方を入れます。

答えを表に戻して点検します。塩化ナトリウムは固体でイオンが固定されているため、左列の「通さない」と合います。水溶液ではイオンが動けるため右列の「通す」と合います。砂糖は固体でも溶液でも動けるイオンがないという条件なので、両列の判定と矛盾しません。観測値の組を、そのまま理由として繰り返すのではなく、状態の変化に対応する粒子の変化を示します。

少し難しい例題：同じ結果の候補を残す

次の4試料について、同じ条件で固体の性質を調べた自作の表があります。試料Aは塩化ナトリウム、Bは銅、Cはダイヤモンド、Dは黒鉛です。どれも純粋な試料とし、「通す」は電気伝導が認められたことを示します。水への溶解性はこの表から判断しません。

問1：固体で通さない試料をすべて記号で答え、それぞれで電荷を運ぶ粒子の移動に関して理由を書いてください。問2：固体で通す2試料を、電荷を運ぶ粒子と結晶の分類の両方に触れて比べてください。

問1の答えは A と C です。Aにはイオンがありますが、固体中ではイオンが自由に移動できません。Cは原子が共有結合でつながり、自由に動いて電荷を運べる粒子がないため、通常は電気を通しません。AとCの結果は同じでも、イオンが存在するかどうかは異なります。表のBとDも確認すると、通さないものとして取り残した行はありません。

問2ではBとDの両方で電子が電荷を運びます。一方、Bは金属結晶で、Dは共有結合の結晶です。電子が動けるという共通点から、結晶の分類まで同じだと結論することはできません。Dの黒鉛は、共有結合の結晶であっても電気を通す例として残ります。もしDの行を見ずに「共有結合の結晶は常に通さない」と決めると、与えられた結果に合いません。

この例の分かれ目は、結果が同じかどうかと、その結果に至る仕組みが同じかどうかです。伝導の有無だけで分類できないときは、候補を消し切らず、結晶の構成粒子や結合に関する情報を探します。表にない溶解性や融点を勝手に補って候補を消すことはできません。

誤答の原因を粒子まで戻す

誤答1は「塩化ナトリウムの固体が通さないのはイオンがないから」です。電荷をもつ粒子が存在することと、その粒子が電荷を運べるほど移動できることを取り違えています。修正すると「イオンはあるが、固体中では自由に移動できない」です。図3のように、存在と移動を別の問いにすると違いが明確になります。

誤答2は「砂糖が水に溶けたら、溶けた粒子は必ずイオンになる」です。溶解とイオンの生成を同一視したことが原因です。基本例題の砂糖は水中で分子として存在するという条件なので、溶けても水溶液は通しません。溶けたか、イオンがあるか、動けるかの順に資料を確認します。

誤答3は「固体で通すものは金属結晶に限る」です。金属の自由電子を知っていても、黒鉛の行を無視するとこの誤りに陥ります。修正は「銅は金属結晶で、黒鉛は共有結合の結晶だが、いずれも動ける電子がある」です。資料が候補を限定していないとき、伝導という1つの性質だけから物質名を特定しないようにします。

表に空欄がある場合も注意が必要です。空欄は「通さない」の記号ではなく、測定されていない可能性があります。判定の凡例と測定条件を確かめ、わからない箇所は保留にします。異なる条件の測定を一続きの結果として扱わず、何が比較可能かを先に見ます。

練習：判定の根拠を言葉にする

次の4問はすべて自作です。各問題の条件を独立に読み、答えは後の解説を見る前に記してください。

1. 純粋な塩化カリウムの固体はイオン結晶で、溶融状態ではイオンが移動できます。固体と溶融状態のそれぞれで電気を通すか答え、理由を短い文章で書いてください。
2. 物質Pの固体は電気を通さず、水には溶けません。候補はダイヤモンドと、水に溶ける塩化ナトリウムです。この条件で選べる候補を名前で答え、2つの条件がどう働くか説明してください。
3. 物質QとRの固体はいずれも電気を通します。Qはアルミニウム、Rは黒鉛です。共通する電荷の運び手と、2つの結晶の分類をそれぞれ答えてください。
4. ある分子からなる物質Sは水に溶け、水溶液で電気を通しました。水自体の伝導は無視でき、測定条件に誤りはありません。「Sは水に溶けても分子のままで、水中に電荷を運ぶ粒子を生じない」という説明は、この結果に合うか答え、理由を書いてください。

練習の答えと解き方

1. 固体は通さず、溶融状態は通します。固体では陽イオンと陰イオンが配列中にあり、自由に移動できません。溶融状態ではイオンが移動して電荷を運びます。答えを条件に戻すと、固体で移動できないという結晶の性質と、溶融状態で移動できるという問題文の条件に、それぞれ対応します。水を加えたとは書かれていないため、水溶液の性質を理由にしません。

2. ダイヤモンドです。両候補とも固体では電気を通さないので、この列だけでは区別できません。水に溶けないという条件が、水に溶けると与えられた塩化ナトリウムを除きます。選んだダイヤモンドは固体で通さず水にも溶けないので、両条件に戻して矛盾がありません。候補がこの2つに限定されていることが特定の前提です。

3. 共通する運び手は電子です。Qは金属結晶、Rは共有結合の結晶です。Qでは自由電子が動き、Rでは黒鉛の層に沿って電子が動きます。それぞれ固体で通すという条件に戻せますが、伝導が共通しても分類は異なります。両者を単に「電気を通す結晶」とまとめると、問われた分類が残りません。

4. 合いません。与えられた水溶液の伝導には、動ける電荷をもつ粒子が必要です。提示された説明ではその粒子が生じず、水自体の伝導も無視できるため、電気を通したという結果を説明できません。分子からなる物質でも、水中でイオンを生じる場合があります。ただし、この情報だけからイオンの種類や反応の詳しい形までは決められません。

どの問いでも、結論を元の状態に戻して確かめます。たとえば1で「固体も通す」とした場合、固体中のイオンが自由に移動できないことと食い違います。2で固体の伝導だけを使って一方を選ぶと、残る候補も同じ判定を示すため根拠が不足します。4で分子という語だけを見て伝導を否定すると、与えられた測定結果と矛盾します。

手元に残す要点

• 固体、水溶液、溶融状態を分けて読む。
• 伝導には移動できる電荷の運び手が必要です。
• イオン結晶の固体にはイオンがあっても自由には動けません。
• 金属と黒鉛では電子が電荷を運びます。
• 1つの物性で候補を決め切れるか、表の残りも見ます。

どこで止まったかを見分ける

固体と水溶液の列を取り違えた答案では、まず各判定の横に状態を書き添えてみます。状態を正しく読めていても理由が書けない場合は、結晶中の粒子の名前と、移動できるかを別々に尋ねます。粒子があることだけを根拠にしたときは、イオン結晶の固体に戻して動けるかを確かめます。

個別指導で確認するなら、候補を消した根拠を表の該当する行と列に印を付けて説明してもらいます。結果が同じ候補を残せるか、追加の条件で初めて区別できるかも見ます。正答が出た場合にも、選ばなかった候補がどの条件に合わないかを言葉にすると、偶然の一致と根拠のある判断を区別できます。状態と粒子の動きがつながると、物性の表は結晶の内部を考える手がかりになります。