鉱物モデルの製作

キーワード高校、化学、教材、自主編成、教科書、（高校化学、化学教材）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０１．１１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　林　正幸　　　宝石箱のような鉱物モデル　高校化学において、天然高分子の中で無機化合物の岩石、鉱物を扱うのは有意義である。かつて私は針金の端を接着剤でとめた正四面体をいくつも製作して、それをビニールテープで黒板に固定して説明をしていた。ただしこれは時間がかかる。　最近盛口さんから、画用紙で作った正四面体を透明な塩ビ板に並べて貼るアイデアを得た。そして発泡スチロール球を色付けした陽イオンを加えて全体を箱に入れることにした。　いくつかの試行錯誤を経て、かなり納得がいくモデルが完成したので紹介する。１．鉱物をつくる高分子化合物　鉱物の高分子を構成するのは、中心にケイ素原子があり４つの頂点に酸素原子がある正四面体である。ケイ素は酸素と４つの共有結合を形成して希ガスの電子配置を満足している。これに対して酸素はこのままでは１つの不対電子を持つことになる。ケイ素原子がアルミニウム原子に置き換わることがあるが、この場合はアルミニウムは電子１個を得て１価の陰イオンとなって、４つの酸素と共有結合を形成する。　モデルでは一辺が４０ｍｍの正三角形からなる正四面体を作り、その頂点に直径１０ｍｍの円を描き、水色に塗って酸素原子を表した。ケイ素やアルミニウムは中心にあると想像する。　鉱物はこの正四面体の連結の仕方で、次の３種に分類される。　　　　ａ）繊維状鉱物　　　　ｂ）層状鉱物　　　　ｃ）骨組み構造鉱物それぞれに対して、できるだけ単純で美しい例を選んでモデル化した。ａ）斜方輝石　輝石では次ページの図の（ａ）のように、正四面体は２つの頂点を共有して糸状になる。頂点を共有した酸素は２つのケイ素と共有結合することになり希ガスの電子配置を満足する。これに対して１つの正四面体あたり２つの頂点を共有しない酸素原子はそれぞれ１個の電子を得て１価の陰イオンになる。こうしてできる糸状高分子は陰イオンとなり、　　　　（ＳｉＯ₃ ²-）_n という化学式で表される。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 1 - 　斜方輝石ではこの陰イオンの相手をするのは、共に２価の陽イオンのマグネシウムイオンと鉄（Ⅱ）イオンである。したがってこの組成式は　　　　（Ｍｇ，Ｆｅ）ＳｉＯ₃ 　　と書き表される。両イオンの組成は様々である。これらの陽イオンは正四面体に１つずつ配置して、２つの酸化物イオンとイオン結合を形成する。そして陽イオンは稜の中点に接近していると考えられる。　斜方輝石では、このような糸状高分子が無数に繊維状に束ねられている。　モデルでは３５ｍｍスチロール球を、橙色に塗ってマグネシウムイオン、黄緑色に塗って鉄（Ⅱ）イオンとした。ｂ）黒雲母　雲母では上図の（ｂ）のように、正四面体が３つの頂点を共有し六角形の碁盤の目を形成して２次元の網目状になる。そしてひとつの正四面体あたり１つの頂点を共有しない酸素が１価の陰イオンになる。さらに雲母では中心原子は平均で４つに１つはアルミニウムに置き換わっている。そしてこの構造はよく見ると正四面体４つのセットがくり返されている。たとえば六角形の左側４つの辺を形成する４つの正四面体に注目してみよう。こうして２次元の網目状高分子の陰イオンは　　　　（ＡｌＳｉ₃Ｏ₁₀ ^5-）_n という化学式で表される。　黒雲母では２次元の網目状高分子が向かい合い、酸化物イオンどうしをやはり共に２価の陽イオンのマグネシウムイオンと鉄（Ⅱ）イオンがイオン結合で結び付けている。しかしこれでは中心原子がアルミニウムの場合に、その１価の陰イオンとイオン結合する陽イオンが不足する。実際には次ページの図のように、陽イオンのシートをサンドイッチした　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 2 - ２枚の陰イオンのシートのセット２つの間に、１価の陽イオンのカリウムイオンが挟み込まれている。このカリウムイオンは上下２枚の陰イオンのシートの相手をするわけだから、正四面体のひとつおきに配置し、正三角形の中点に接近していると考えられる。そうすると黒雲母の組成式は　　　　Ｋ（Ｍｇ、Ｆｅ）₂（ＡｌＳｉ₃Ｏ₁₀）となる。ところが現実はさらに複雑である。正しい黒雲母の化学式は　　　　Ｋ（Ｍｇ、Ｆｅ）₃（ＡｌＳｉ₃Ｏ₁₀）（ＯＨ）₂ 　　　　　　　　　　　　なのである。つまり（Ｍｇ、Ｆｅ）（ＯＨ）₂ 分だけ増えている。これは２価の陽イオンが形成するシートにおいて、六角形の中心の空洞に同じ陽イオンを組み込んだ方が安定な構造になるためであろう。そしてそれとイオン結合する２つの水酸化物イオンは上下の陰イオンのシートの六角形の空洞の中心に組み込まれていると考えられる。　このように黒雲母では、陰イオンのシート、２価の陽イオンのシート、裏返した陰イオンのシート、１価の陽イオンのシートがくり返し積み重なった層状になり、このためよく知られているようにへき開という性質を持つのである。　モデルでは同じ３５ｍｍスチロール球をピンク色に塗ってカリウムイオン、紫色に塗って水酸化物イオンとした。本来それぞれのイオン半径は異なっているが、一稜が４０ｍｍの正四面体の高さに一致する３５ｍｍのスチロール球に統一すると、モデルの組み立てが容易になるからである。どのみち正四面体の中の、共有結合する酸素原子や酸化物イオンの大きさも考慮できていないのである。　生徒に以上のすべてを語ることは難しい。層状鉱物の素朴なイメージが湧けばよいであろう。ｃ）リンケイ石　正四面体が４つの頂点を共有するもっとも単純な構造は最初の図の（ｃ）のように、正四面体をひとつおきにひっくり返して塩ビ板の裏側に貼り付けたシートを積み重ねた構造であろう。こうなるとすべての酸素原子は２つの共有結合を形成して希ガスの電子配置を満足し、物質として完成する。各酸素原子はひとつの正四面体に１／２ずつ所属するので、　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 3 - この組成式は　　　　ＳｉＯ₂ となる。このような鉱物がリンケイ石である。これは立体的に網目状の骨組み構造鉱物である。　リンケイ石では酸素原子は２つのケイ素原子の中点にあり、その結合角は１８０° である。水晶はこれに似た構造であるが、結合角が通常の酸素原子の範囲にあり、ねじれた結晶構造になってより安定化している。２．モデルの製作方法１）材料と準備・発泡スチロール球　　３５ｍｍのものを７０個　　蛍光ペンで次のように塗る。　　　　１１個　　ピンク色（カリウムイオン）　　　　１８個　　橙色（マグネシウムイオン）　　　　１９個　　黄緑色（鉄（Ⅱ）イオン）　　　　２２個　　紫色（水酸化物イオン）参考：それぞれ１個は説明用に利用する。・画用紙　　四切りを１６枚　　　　　別紙「正四面体の展開図」を印刷する。　　１枚は台紙として利用する。　　残りの１５枚は円を蛍光ペンで空色に塗り、図のように切り取る（１枚から１０個で　　きる）。　　折り曲げ、一面をプリットのりで貼り合わせて正四面体を作る。全部で１４０個必要　　　　になる。　　　　　　　　　　　　参考　１）蛍光ペンはピンク色、橙色、黄緑色、空色（２本）、紫色の５色を準備する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 4 - 　　　２）はさみとプリットのりを準備する。・塩ビ板　　厚さ０.５ｍｍで６００×７２０ｍｍのものを２枚　　次のように万能ばさみで切断する。　　　　①まず３００×７２０ｍｍに切る。　　　　②３００×２３０ｍｍを１１枚切り取る。　　　　③３００×８０ｍｍを２枚　　　　　３００×４０ｍｍを２枚を切り取る。　　厚さ１ｍｍで３００×９１０ｍｍのものを３枚　　大型カッターナイフで深い溝を付け、溝を机の端に合わせて折って割ることによって、　　　　次のように切断する。　　　　①３００×１０９ｍｍを２枚　　　　②３００×４７ｍｍを３枚（この１枚を４７×１１１ｍｍ２枚にする）　　　　③３００×２３０ｍｍを４枚　　　　④３００×１７５ｍｍを３枚　　　　　　（この１枚を１７５×２３２ｍｍと１７５×６８ｍｍにする）　　　　⑤３００×１３３ｍｍを３枚　　　　　　（この１枚を１３３×２３２ｍｍと１３３×６８ｍｍにする）参考　１）定規、万能ばさみ、大型カッターナイフを準備する。　　　２）他には組み立てのために、黄色ビニールテープと木工用ボンドを準備する。２）組み立てａ）斜方輝石 ①「台紙」の上に０.５ｍｍで３００×８０ｍｍの塩ビ板を置き、最初の図のように７つの正四面体を木工用ボンドで貼り付ける（２セット作り、一方は説明用に利用する）。参考：正四面体の外の枠が均等になるようにする（以下同様）。 ②やはり台紙を利用して３００×４０ｍｍの塩ビ板に、共有しない２つの頂点の中点の位置に、木工用ボンドで橙色スチロール２個と黄緑色スチロール球２個を、交互に貼り付ける（他方は橙色１個と黄緑色２個を貼り付けて２セット作る）。 ③厚さ１ｍｍで３００×１０９ｍｍの塩ビ板２枚と３００×４７ｍｍの塩ビ板２枚で、黄色ビニールテープで上図のように角柱をつくり、４７×１１１ｍｍの塩ビ板２枚で箱にする。このとき一方の３００×１０９ｍｍの塩ビ板が片開きになるようにしておく。 ④箱の中に①と②を納めてビニールテープで封印する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 5 - 　　　　　　　　　　　　ｂ）黒雲母 ①台紙を利用して０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板に、最初の図のように２１個の正四面体を木工用ボンドで貼り付ける（４セット作り、ひとつは説明用に利用する）。 ②そのうちの３枚のシートは、下図のように六角形の空洞の中心に７つずつ合計２１個の紫色スチロール球を木工用ボンドで貼り付ける。　　 ③台紙を利用して、別の０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板に、上図のように橙色スチロール球１４個と黄緑色スチロール球１４個を交互に木工用ボンドで貼り付ける。 ④さらに別の０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板に、次ページの図のようにピンク色スチロール球１０個を貼り付ける。 ⑤厚さ１ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板２枚（輝石と同様、こちらを内側にする）と３００×１７５ｍｍの塩ビ板２枚で、黄色ビニールテープで角柱をつくり、１７５× ２３２ｍｍの塩ビ板で口の開いた箱にする。　　　　　　　　　　　　 ⑥箱の口を横にして、始めに陰イオンのシート１つを、酸化物イオンの頂点を上にして差　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 6 - し入れる。 ⑦次にその上に、２価の陽イオンのシートを塩ビ板を下にして乗せる。このとき陰イオンのシートの上を横滑りさせるとこすれてスチロール球がはがれやすい。奥に差し入れて下に降ろすようにする（以下同様）。 ⑧続いて新しい０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板を差し入れる。 ⑨もう１枚の陰イオンのシートを、酸化物イオンの頂点を下にして差し入れる。 ⑩カリウムイオン（ピンク色）のシートを塩ビ板を下にして乗せる。 ⑪さらに新しい０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板を差し入れる。 ⑫残った陰イオンのシートを、酸化物イオンの頂点を上にして差し入れる。このとき箱の天板が上に膨らむようにして、スチロール球が天板とこすれてはがれないように注意する。 ⑬最後に厚さ１ｍｍで１７５×６８ｍｍの塩ビ板とビニールテープで封印する。注意：⑧～⑫では、陽イオンと陰イオンの位置関係に留意して差し入れる。ｃ）リンケイ石 ①台紙を利用して０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板に、最初の図のように２１個の正四面体を塩ビ板の上面下面交互に木工用ボンドで貼り付ける（２セット作る。これはモデルから簡単に取り出せるので、説明用のシートは作らない）。参考：上面を貼り付けたら乾燥するのを待って、下面を貼り付ける。 ②厚さ１ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板２枚（輝石と同様、こちらを内側にする）と３００×１３３ｍｍの塩ビ板２枚で、黄色ビニールテープで角柱をつくり、１３３× ２３２ｍｍの塩ビ板で口の開いた箱にする。 ③１枚のシートを差し入れ、新しい０.５ｍｍで３００×２３０ｍｍの塩ビ板を差し入れる。 ④もう１枚のシートを、頂点が共有されるように差し入れる。 ⑤最後に厚さ１ｍｍで１３３×６８ｍｍの塩ビ板とビニールテープで封印する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 7 - 　　林　正幸と主万子の始めのホームページ（to our initial Home Page）にもどる。