【化学】

1. 固体の構造

A. 結晶と単位格子

(1)とは、粒子が(2)配列した固体のことをいう。(RV粒子は物質を構成する基本的な単位であつた。) 粒子が規則正しく配列しているため、どんな大きさでも濃度は(3)である。

(4)(たんいこうし)は、結晶構造の(5)の繰り返し単位のことである。結晶構造を考えるときは(6)に注目していく。

B. 金属結合と金属結晶

金属結合は、金属の(7)、そして、(8)による結合である。その金属結合によってできた結晶が(9)である。(RV結晶とは、粒子が規則正しく配列した固体のことをいった。) 基本的に、金属の単位が金属1個の粒子に接している粒子の数を、(10)(はいいすう)または最近接粒子数という。配位数の最大値は(11)であり、配位数(12)の結晶構造を(13)(さいみつこうぞう)という。

金属の陽イオンが近くに集まっているほうが、自由電子が陽イオンをつなぎ、止やすくなるため、陽イオンが集まった構造になりやすい。すなわち、金属結合は配位数の(14)構造になり、(15)か(16)かのどちらかの構造になる。

C. 体心立方格子

体心立方格子とは、立方体の中心と頂点に金属原子が配列している単位格子のことである。配位数は8、粒子数は $\frac{1}{8} \times 8 + 1 = 2$ である。原子半径は $\frac{\sqrt{3}}{4}a$ 、単位格子内で原子が占めている割合である充填率(じゅうてんりつ)

は68%、密度は $\frac{\frac{M}{N_A} \times 2}{a^3}$ である。

D. 面心立方格子

面心立方格子とは、立方体の面の中心と頂点に金属原子が配列している単位格子のことである。配位数は12、粒子数は $\frac{1}{8} \times 8 + \frac{1}{2} \times 6 = 4$ である。原子半径は $\frac{\sqrt{2}}{4}a$ 、充填率は74%、密度は $\frac{\frac{M}{N_A} \times 4}{a^3}$ である。

E. 六方最密構造

六方最密構造とは、六角中の内部と頂点に金属原子が配列している最密構造のことである。配位数は12、粒子数は $\frac{1}{6} \times 12 + \frac{1}{2} \times 2 + 1 \times 3 = 6$ である。原子半径は $\frac{1}{2}a$ 、充填率は74%である。

F. イオン結合とイオン結晶

イオン結晶は、陽イオンと陰イオンの間に働く静電気力による結合である。アンモニウム塩を除き金属原子と非金属原子の結合がイオン結合である。そのイオン結合によってできる結晶がイオン結晶である。

陽イオンは多くの陰イオンに囲まれて安定するため、基本的にイオン結晶の配位数は大きくなる。しかし、陽イオンと陰イオンの大きさが異なるため、最大配位数12をとることはできない。

G. 塩化セシウムCsCl型

塩化セシウムCsCl型とは、イオン結晶の中では最大の配位数8となるものをいう。配位数は8、イオン半径は $\sqrt{3}a$ 、密度は $\frac{\frac{M}{N_A} \times 1}{a^3}$ である。

H. 塩化ナトリウムNaCl型

塩化ナトリウムNaCl型とは、配位数6のイオン結晶の構造である。単位格子に注目すると、陰イオンでできている面心立方格子のすき間に陽イオンが配列した構造である。配位数6、イオン半径 $a$ 、密度 $\frac{\frac{M}{N_A} \times 4}{a^3}$ である。

--- I. 共有結合と共有結合の結晶

共有結合は、非金属原子間で電子対を共有する結合である。共有結合は、電気陰性度の大きい非金属同士の結合のため、非常に強い結合である。その共有結合のみでできている結晶が共有結合の結晶である。(EX主な共有結合の結晶としては、ダイヤモンド、ケイ素、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、黒鉛がある。)

共有結合は最外殻の電子対を共有しているため、配位数は最大4である。黒鉛のみ配位数3の構造をとる。

J. ダイヤモンド型

黒鉛を除く、共有結合の結晶をダイヤモンド型という。配位数は4、粒子数は $\frac{1}{8} \times 8 + \frac{1}{2} \times 6 + 1 \times 4 = 8$ 、原子半径は $\frac{\sqrt{3}}{8}a$ である。

K. 黒鉛

黒鉛は他の共有結合とは違い、特殊な構造をとる。配位数は3で、層と層の間はファンデルワールス力で結びついているため、剥がれやすい。また、平面上を自由に動く電子があるため、電気を通す性質をもつ。

L. 分子間力と分子結合

分子間に働く引力を総称して分子間力という。分子間力は共有結合、イオン結合のような原子間の結合に比べると非常に弱い。分子間力によって分子が多数集まってできる結晶が分子結晶である。非金属元素のみからできてい、共有結合の結晶の5つ以外はすべて分子結晶となると考えてよいものとする。

ファンデルワールス力は、どんな分子の間にも働く弱い引力である。ファンデルワールス力は、分子量が大きいほど強く、融点及び沸点が高くなる。分子量が同じときは、分子の形が球状に近いほど弱い。極性分子は極性による引力も働くため、分子量が同程度の無極性分子よりファンデルワールス力が強くなる。

フッ素原子、窒素原子、酸素原子と水素原子の間には極性が生じる。そのため、フッ素原子、窒素原子、酸素原子を分子内にもつ分子は分子間にファンデルワールス力よりも強い結合を生じる。その結合を水素結合という。

M. その他分子結晶の構造と性質

分子結晶の構造では、分子間力が使われているが、分子間力は弱いため、分子結晶はやわらかく、融点が低い。また、ヨウ素、二酸化炭素、ナフタレンのように昇華性をもつものも多い。

N. 水の結晶構造

一般的な物質は、固体より液体のほうが体積は多く、密度は小さいが、水は固体より液体のほうが体積が小さく密度が大きい。分子間の水素結合によって、正四面体のすき間の多い構造をとるためである。