２．化学結合と結晶（その２）

　　授業計画

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　　　　　　　　　　　　　　　　［ｂ］電気陰性度　　　　　　３Ｄ−ボックス
　　　　　　　　　　　　　　　　［ｃ］極性による引力
　　　　　　　　　　　　　　　　［ｄ］水素結合
１１　　　　　　　　　　　　　　［ｅ］水の沸点
　　　　　８．分子結晶と共有結晶　　［ａ］分子結晶　　　二酸化炭素の結晶模型
　　　　　　　　　　　　　　　　　　［ｂ］水の結晶　　　　　水の結晶模型
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　正四面体
　　　　　　　　　　　　　　　　　　［ｃ］共有結晶
　　　　　　　　　　　　　　　　　　［ｄ］同素体　　　　　　バッキーボール模型
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　斜方硫黄の結晶模型
１２　　　宿題（演習）

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実習１．結晶模型と分子模型

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　アルミニウムはアルミニウム原子が（金属結合）によって配列している。このような配
列は（面心立方格子）と呼ばれ、頂点のほかには立方体の面の中心に原子が存在する。
［４］塩化ナトリウム


　　ナトリウムイオンのまわりの配位数（ ６ ）
　　塩化物イオンのまわりの配位数　　（ ６ ）

　　単位格子に含まれる
　　ナトリウムイオンの個数（ ４ ）
　　塩化物イオンの個数　　（ ４ ）
　　ナトリウムイオン：白丸　　塩化物イオン：黒丸



　塩化ナトリウムは（ナトリウムイオン）と塩化物イオンが（イオン結合）によって配列
している。このような配列は（岩塩型）と呼ばれる。

［ｂ］分子模型
［１］分子模型は原子価に相当する穴があいた（原子球）と、それを結合させる（リン
ク）からできている。共有結合では原子価の（向き）は決まっているので、分子はそれぞ
れ特定の（形）をしている。
［２］分子の形
　次の分子模型を組み立てて、その原子がつくる形が下のどれになるかを調べよ。

　　（１）水（ Ｈ₂Ｏ ）：Ｖ字形　　　　　 （２）アンモニア（ ＮＨ₃ ）：三角錐形
　　（３）二酸化炭素（ ＣＯ₂ ）：直線形　 （４）メタン（ ＣＨ₄ ）：正四面体形
　　（５）塩化水素（ ＨＣｌ ）：直線形
　　参考：窒素の原子球は３価のものを使う。塩素は緑色の原子球を使う。
　　　　　二重結合は長いリンクを使う。

　　分子の形　：　直線形　　　正四面体形　　　Ｖ字形　　　三角錐形

　　　　　　　　　　（　　）組（　　）番　氏名（　　　　　　　　）

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５．金属結合

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６．イオン結晶と金属結晶

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［ｃ］金属結晶
［１］（金属結合）する物質がつくる結晶は（金属結晶）と呼ばれる。金属結晶は金属結
合する（原子）、言い換えると陽イオンと自由電子で構成される。共有結合と違って、金
属結合はあまり（方向性）がないので、多くの金属結晶はたくさんのテニスボールをでき
るだけ（密に）詰めたような配列になる。ほとんどの金属は
　　（体心立方格子）　　ナトリウム、鉄
　　（面心立方格子）　　アルミニウム、銅
　　（六方最密構造）　　マグネシウム、亜鉛
のいずれかの結晶である。前２つは実習で調べた。
注意：六方最密構造は単位格子の名称ではない。この単位格子はひし形の角柱である。
　　　この結晶構造については名称に留める。
［２］金属結晶にも分子は存在しない。その化学式は
　　　　マグネシウム　Ｍｇ　　　　　アルミニウム　Ａｌ
　　　　鉄　　　　　　Ｆｅ　　　　　銅　　　　　　Ｃｕ
のように元素記号を使う。これは成分がひとつの組成式であると言える。
［ｄ］電導性
［１］金属結晶が大きい（電導性）を示すことはよく知られている。それは結晶中の自由
電子が移動するためである。一般に電導性は、（電気）を持つ粒子が存在し、かつそれが
（移動）できるときに生じる。
　したがって（イオン結晶）は、電気を持つ粒子は陽イオンと陰イオンが存在するが、そ
れらが移動できないために電導性は（ない）。
問　「ガラスの電導性」実験のイラストを描け。
　　　　　　

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［２］ガラスは陽イオンがナトリウムイオンとカルシウムイオン、陰イオンがケイ酸イオ
ンから構成される。しかしこれらのイオンは固体では移動できないために電導性がない。
しかしガラスを加熱して液体（と言っても実験では水あめのように粘性が高かった）にす
ると、イオンが移動できるようになり、電導性が生じて電球が（点灯）した。
　ガラスの固体は結晶ではなく無定形であるが、以上のことはイオン結晶にも当てはまり、
結晶では電導性がない塩化ナトリウムが、加熱融解して（液体）にすると電導性が生じる。
　もちろん（金属結晶）は液体にしても電導性がある。
［ｅ］変形性
［１］一般に（固体）は比較的（小さい）力を加えると変形し、力を除くと元の形に復元
する。こにょうな性質は（弾性）と呼ばれる。弾性には次のようなフックの法則が成り立
つ。
　　　　　　Ｆ ＝ ｋΔｘ
　　　　（Ｆ：力　　ｋ：比例定数　　Δｘ：変形）
そしてこの関係式はばねに限らず、すべての固体に成り立つ。
［２］それでは弾性限界を越える大きい力を加えるとどうなるだろうか。下図から明らか
なように、（イオン結晶）では結晶配列のずれが陽イオンどうし陰イオンどうしの反発に
つながり（破壊）を余儀なくされる。これに対して金属結晶では力を受けて（結晶配列）
がずれても容易に金属結合が（修復）される。このように（金属結晶）は大きい力を加え
ても破壊されず変形したままである。このような性質は（塑性）と呼ばれ、金属が（展
性）、（延性）を持つ理由である。

　　　　　　

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７．分子間力と沸点

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電気陰性度の差が大きいと共有結合の極性が大きい。電気陰性度は前ページの図のように、
周期表で見ると（希ガス）を除いて（右上）の方が大きいという傾向がある。
［ｃ］極性による引力
　共有結合の極性によって分子が極性を持つと、ちょうど２つの（磁石）が引き合うよう
に分子どうしの間に（電気的引力）がはたらく。もちろん極性が大きいほど「極性による
引力」は大きくなる。ただし分子の形によっては、共有結合の極性を（打ち消し合う）効
果をもつ分子もある。

　　　　　　

［ｄ］水素結合
　水素・酸素結合（水酸基）をもつ分子どうしの間には、（水素結合）と呼ばれるかなり
大きい引力がはたらく。その理由に深入りはできないが、水分子の場合では下図のように、
水素結合は一方の水分子の水酸基と他方の水分子の酸素原子の間にはたらき、関係する３
原子が水素を中心に（直線上）に並ぶときもっとも強くなる。
　水素結合は、水素・窒素結合をもつ分子や水素・フッ素結合からなるフッ化水素でもは
たらく。なお水分子の「極性による引力」の効果は水酸基をもたない分子との間で現れる。

　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

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［ｅ］沸点と分子間力
［１］４章でくわしく学習するが、物質が（沸とう）することは分子が分子間力から（逃
れる）ことである。つまり（沸点）の高さと（分子間力）の大きさの間には密接な関係が
ある。
　ここで周期表の１６族元素と水素の化合物、および１５族元素と水素の化合物について、
その沸点（１ａｔｍの下での）と分子量の関係をグラフにしてみよう。

　　　　　　

［２］このグラフから
（１）同系統の物質では、その分子間力がおおむね（分子量）に比例する
（２）水素結合はかなり（大きい）分子間力である
ことが読み取れる。

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８．分子結晶と共有結晶

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［ｃ］共有結晶
［１］共有結合する物質の一部は（共有結晶）をつくる。たとえば（ダイヤモンド Ｃ ）
は右図の立体視図のように、炭素原子が４つの共有結合を空間に伸ばして互いにスクラム
を組んだようになる。こうしてダイヤモンドは最も（硬い）物質である。共有結晶は共有
結合する（原子）で構成される。
［２］ところでシャープペンの芯に使用される（黒鉛 Ｃ ）も炭素原子からできている。
これは立体視図のように、炭素原子が六角形の網目状のシートを形成し、それが貼り合わ
されたようになっている（この化学結合についてくわしくは触れることはできない）。シ
ートどうしは滑りやすいので、黒鉛は（減摩剤）に利用される。そして一般に分子結晶や
共有結晶は電導性ないのに、黒鉛は金属結晶のように（電導性）をも持つことを付け加え
ておく。
［３］ほかに共有結晶をつくる物質には、ケイ素 Ｓｉ や水晶（二酸化ケイ素 ＳｉＯ₂ ）
などがある。
［４］共有結晶にも分子は存在しないので、その化学式はやはり組成式である。

［ｃ］同素体
［１］最近発見された（バックミンスターフラーレン）（愛称はバッキーボール）と呼ば
れる物質は、模型のように、炭素原子６０個がサッカーボールのように共有結合した分子
（ Ｃ₆₀ ）であり、分子結晶をつくる。
［２］ダイヤモンド、黒鉛、バックミンスターフラーレンはいずれも（炭素）の単体であ
る。しかしその化学結合の仕方や結晶配列の違いから異なる性質を持っている。このよう
に（同じ）元素からできているが互いにその（性質）が異なる（単体）は（同素体）と呼
ばれる。
［３］たとえば硫黄の同素体には斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄がある。（斜方硫黄）
の結晶配列についてはその模型を参考にしよう。

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　　　　　　　　　　ダイヤモンドの結合状態

　　　　　　


　　　　　　　　　　黒鉛の結合状態

　　　　　　

参考：立体視図は右図を右目のみで左図を左目のみで見て、かつ両図を中央に寄せて合体
　　　させると立体的に見えるようになる（慣れるまでは中央に下敷きなどを立る）。



［ｄ］考察
（１）発泡スチロール球を入手して、結晶模型、分子模型を製作してみよう。
（２）バッキーボール模型を製作してみよう。

　 　　　　　　　　　　　　　　　　　- 26 -

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　　　宿題（２章）

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４．アルミニウムの結晶配列に関する次の問に答えよ。
　　　　　　　　　　　　　　　（１）単位格子の原子の位置を左図に黒丸で記入せよ。
　　　　　　　　　　　　　　　（２）このような配列を何と呼ぶか。
　　　　　図１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（面心立方格子）
　　　　　　　　　　　　　　　（３）単位格子内に含まれる原子は何個か。　（４）
　　　　　　　　　　　　　　　（４）この結晶配列の配位数はいくつか。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）

５．次の文を読み、下の問に答えよ。
　金属結晶は固体でも電導性を示す（ａ）。これに対してイオン結晶は固体を融解して液
体にすると電導性を示す（ｂ）。
　金属結晶は大きい力を受けると、破壊されずに変形する（ｃ）。これに対してイオン結
晶はもろく破壊される（ｄ）。
（１）電導性があるとはどのような状態か。
　　　　電気を持つ粒子が移動できる。
（２）電導性をになう粒子は（ａ）（ｂ）の
場合それぞれ何か。
（ａ）自由電子　　（ｂ）陽イオンと陰イオン
（３）ガラスが液体状態で電導性を示す実験　　　　　　　　　図２
をイラストで描け。
（４）（ｃ）に当たる性質を２つ上げよ。
　　　　展性、延性
（５）（ｄ）の理由を説明せよ。
　　　　結晶配列のずれが陽イオンどうし陰イオンどうしの反発につながる。

６．分子間力に関する次の文を完成し、下の問に答えよ。
　（異種）原子の間の（共有）結合では、共有電子対が（電気陰性度）の大きい方の原子
に引き寄せられて（極性）をもつ。分子に極性があると、（磁石）が引き合うように引力
がはたらく。
　分子が（水酸基）を持つと水素結合と呼ばれる引力がはたらく（ａ）。これには強い
（方向性）があり、水の結晶は大きい（空間）を含み（ｂ）、そのため融解した液体の水
より体積が（大きい）。
（１）（ａ）の様子を、水素結合を破線で表した水分子を例にして示せ（構造式を６個以
上含むこと）。




（２）（ｂ）に関してメタンを包み込んだ固体の水は何と呼ばれるか。
　　　　　　　　　　　　　　　（メタンハイドレート）

　　　　　　　　　　　（　）組（　　）番　氏名（　　　　　　　）

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