【高校化学】ファンデルワールス力・充填率・組成式と分子式を簡単に解説!高校化学選択をしている受験生や高校生は必見!

理論化学の解説(ファンデルワールス力・充填率・組成式と分子式)

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化学科を卒業して予備校講師(模擬試験作成)をしていた予備校講師の休日です。化学を放置すると忘れていくので、備忘録代わりに受験生にも役立つ高校化学の情報をまとめておこうと思い、この記事を作成しました!できれば、勉強法のTwitter(こっちがメイン)もフォローしてもらえると嬉しい^^勉強関連やTOEIC関連でこうやったら勉強できるなど気づいたことをどんどんツイートしていますので!化学関連の解説記事一覧はコチラから。

ファンデルワールス力

Twitterの原文ママ

ファンデルワールス力ってどんな力か知ってる?ノートに貼る付箋やヤモリの足もファンデルワールス力でくっついてる。くっつたり離れたりできるくらいの弱い力。ファンデルワールス力は原子核の+と電子のーがチラチラしてる力のこと。詳しい説明はココで→https://bit.ly/2UZCmUZ

ファンデルワールス力とは

解説コメント

先生!ファンデルワールス力って何なん!?激昂!!!

何で激昂やねん!ファンデルワールス力ってのは『電子チラチラ力』のことや。付箋(ポストイット)とかの接着剤に使われてたり、ヤモリが壁に引っ付いたりするのはこのファンデルワールス力なんやな。

電子チラチラ力って何やねん!マジで。ざけんじゃね!(キッズウォー)

キッズウォーとか古いな笑 分子間力とファンデルワールス力との違いについても解説していくから、まあ聞いてくれな。

ファンデルワールス力って何なん?

ファンデルワールス力ってのは、分子同士がめちゃくちゃ弱く引き合っている力のこと。本当に弱いので軽く熱をかけるとすぐに結合が切れてしまう。

熱をかけなくてもちょっと力をいれたりするだけで切れる。例えば、付箋ってあるやろ。ポストイット。あれってノートに付けたり剥がしたりできるでしょ?あれはまさしくファンデルワールス力なんや。くっついたり剥がしたりできるくらいの弱い力でくっついてる。ヤモリが壁からくっついたり離れたりするのもファンデルワールス力。

ファンデルワールス力でひっつくヤモリ。
ポストイットを額に貼った男性。ファンデルワールス力を試している。

ボンドみたいに強い接着剤を作ろうとしていたら、弱い接着力の物質を作ってしまって何かに有効活用できへんかな。と思って付箋に活用したらしいよ!怪我の功名。では、化学的な説明をするぜ。

原子って+の電荷を帯びた陽子がいる原子核の周りを−の電荷を帯びた電子が飛び回ってる粒子のことだわな。

原子を観察すると、ある時は電子が自分が見ている裏側(つまり、原子核の後ろ)に隠れて、まるで原子核がむき出しのように見える。

でも、電子はずっと原子核の周りを飛び回ってるから、ある時は原子核が隠れて電子が見える。(つまり、原子核の手前に電子がきている状態。)

原子はある時は+の電荷を帯びた粒子のように振舞って、ある時は−の電荷を帯びた粒子かのように振る舞うわけだ。ここまでOK?

ファンデルワールス力っていうのは、例えばヨウ素I2において、+の電荷を帯びた粒子かのように振る舞うI2が存在する。+の電荷を帯びた粒子かのように振る舞うI2分子の近くにもI2分子は存在するわな。

この+の電荷を帯びた粒子かのように振る舞うI2分子の近くにもI2分子は、+の電荷を帯びた粒子かのように振る舞うI2分子のせいで、−の電荷を帯びた粒子かのように振る舞うことになる。(斥力が働く状態より引力が働く状態でいた方が安定なため。)

結果、+の電荷を帯びた粒子と−の電荷を帯びた粒子がくっつく。みたいな感じになる。とはいえ、電子は原子核の周りをずっとウロウロしているので、いつまでもこの結合は続くわけがなく、次の瞬間には+の電荷を帯びた(ように見える)粒子は−の電荷を帯びた(ように見える)粒子に変わっていたりする。結果的には、引力と斥力が交互にくるような感じで結び合ってる結合なので、ファンデルワールス力は弱い結合なんだわ。

たくさんのI2分子が、こんな弱い力(ファンデルワールス力)で集まって固体になっているだけだから、ちょっと温度を上げるだけで昇華してしまう。(分子結晶の昇華性の話。ヨウ素、ドライアイス、ナフタレンは分子結晶で昇華する物質。これらは全てファンデルワールス力という力で集まって固体の分子結晶を作っている。)

ファンデルワールス力と分子間力の違い

分子間力=ファンデルワールス力でいいの?

違う!分子間力とファンデルワールス力は違うよ。分子間力⊃ファンデルワールス力って感じ。分子間力の1つとしてファンデルワールス力が挙げられる。

えじゃあ、分子間力ってファンデルワールス力以外にもあるわけ?

そう。分子間力ってのは字の通り、分子間に働く力なら何でも分子間力なわけ。例えば、分子間で水素結合をするとする。水分子と水分子って分子間で水素結合しとるやろ?あの水素結合はまさしく分子間力やわな。

高校化学において、分子間力=ファンデルワールス力と習うことは多いかもしれないが、これは間違い。分子間力っていうのは、分子間に働く力を指すので、分子間水素結合なども含まれる。しっかりと教科書を見ておいてくれ。

おまけ

ファンデルワールス力は有機化学の分野で直鎖の構造をもつ分子とそうでない分子とのファンデルワールス力の差から沸点を推測する話などにも繋がる。つまり、有機化学の勉強にも必要な知識なので、きちんと押さえておこう。

【まとめ】ファンデルワールス力はめちゃくちゃ弱い。高校化学で習う結合の中で最も弱い結合力だと言ってよい。

イオン結晶

Twitterの原文ママ

イオン結晶は金属結晶と同じく方向性のある結合じゃないので、できるだけいっぱい結合した状態(=配位数12)を取る。と言いたいところだけどそうでもない。これには限界半径比が関わってきてーのイオンと+のイオンの半径比によって配位数が決まるよ。具体的には8か6か4。https://bit.ly/2UZCmUZ

イオン結晶の配位数

解説コメント

昨日、岩塩を落としたら粉々になった。

あら。

片付けといてな。とりまこれからイオン結晶の話せなあかんっぽいから、ちょうどよかったわ。岩塩が衝撃に弱いかしゃべるから聞いときなはれ。岩塩は何でできとる?

そりゃあ…塩化ナトリウムっしょ。

塩化ナトリウムやろ。組成式でいうと、NaClっていう物質からできてる。塩化ナトリウムはイオン結晶なんやな。

イオン結晶?何それ?

イオン結晶っていうのは、イオン結合でできた結晶のことや。イオン結合はもう話したやろ。大丈夫やろ?

忘れた。

もう一回イオン結合の話のところ読み返しといてくれ。今日はこのイオン結晶の性質について話するわ。

イオン結晶とは、イオン結合によって結合している物質による結晶。イオン結合は以前説明した通り、金属+非金属の結晶やわな。

金属+非金属の結晶。例えば、塩化ナトリウムNaCl、つまり、塩(しお)やな。これもイオン結合でできた物質。

イオン結合はクーロン力っていうすごく強い力で結びついていて強いんだけど、力をかけると簡単に崩れる。(強いけど脆い。)これは一見矛盾しているように見えるけど理由があるので解説していくよ。

イオン結合でできた物質がいっぱい集まってイオン結晶ってのができてるんやわな。例えばNaClでいえば、Na+とClが集まって、極性を帯びた感じで+と−の原子が交互に並んで結晶を作っている。普段は+と−が引き合っていて機嫌よく結晶でいるわけだ。

しかし!ここで、コツンッと叩くと、+と−で結びついていたのが少しずれる。すると、+と+がこんにちは。となるわけだ。これは完全なる斥力。困った困った。斥力は離れようとするので、ガラスにヒビが入り、割れる。これがイオン結晶の固くて脆い所以だな。図で説明しないとわかりにくいな。多分。

金属結晶みたいに(例えばイメージするのがアルミホイル。Youtuberが作ってるアルミホイル玉の材料はアルミホイルっていう金属。金属結晶は叩いても割れずに金属結合が壊れないまま維持できる。だから叩いてアルミホイル玉ができるのだ!)

岩塩。ハンマーで叩くと割れる。
アルミホイル玉は叩いても割れない。

結晶と充填率

Twitterの原文ママ

3つの結晶格子の充填率を求める方法は、①体心…立方体を斜めに切る、②面心…面心なんだから面を見ろw③六方…とりあえず、六角柱で考えて1/3する。こんな感じだからね。充填率は68%で…74%で…とか言ってる場合じゃないよ。面心の別名は立方『最密』構造だから74%だよ。https://bit.ly/2UZCmUZ

充填率の求め方

解説コメント

結晶って何?充填率って何だ?何なん?結晶のところでよくでてきて計算するんだけど、いまいち何のことやらわけわかめ。

よね。六方最密構造に至っては計算が複雑すぎて教科書8回破ったよ!

充填率っていうのは、結晶を構成する原子の体積の割合のこと。単位格子を見たらわかると思うけど、隙間だらけやろ。結晶ってビッチリ詰まってるわけじゃなくて、中身スカスカやねん。空間だらけの穴ぼこ構造って言っても良い。

なるほど。てか、そもそも結晶って何?

結晶っていうのは、原子とか分子とかイオンとかが規則正しく配列した固体のこと。イメージでいうと、運動場で整列して左右上下きっちり並んでいてズレていない感じ。あれが結晶のイメージ。で、結晶の反意語っていうんかな。

反対の言葉をアモルファスっていうんや。例えばゴムなんかがアモルファスの具体例なんやけど、アモルファスは、運動場で先生に「きちんと整列せぇ!」って怒られる前の状態。つまり、横からみたらきちんと整列してないし、変なところでいっぱい人が集まってたりして、とにかくきちんと整列していない状態の固体のことを指す。

結晶みたいに綺麗に粒子が配列していない固体のことをアモルファスっていうんやね。OK!じゃあ詳しく説明よろしく!

結晶って何なん?アモルファスって何なん?

結晶とは、粒子が規則正しく配列された固体のこと。

  • 氷(分子結晶)
  • ドライアイス(分子結晶)
  • 金属(金属結晶)
  • 塩化ナトリウム(イオン結晶

などがある。これらは全て、原子や分子やイオンが規則正しく配列されて1つの固体を形成しているんだな。『規則正しく配列されている』というのは、こんなイメージ。

『椅子』という原子が集まった結晶と言ってよい。このイメージはあながち間違ってないよ!

これが整頓されていない状態で固体の状態になっているのがアモルファス。ガラスなんかはアモルファス(非晶質)やね。純粋なSiO2だけでできたようなガラス(水晶)なんかは結晶と言える。イオン結晶やね。

でも、そうじゃない不純物が少し混じった窓ガラスなどは非晶質というわけだ。不純物が入ることでSiO2がきちんと整頓された状態で配列できないのね。

充填率って何なん?

さっきも言ったように、結晶っていうのは穴ぼこだらけなんや。

ということは、どのくらい穴ぼこなのかを求めたい。求めたい。求めたい(?)

求めたいでしょ。それが充填率。例えば、結晶がぎっしり詰まっていて隙間なんか1寸もありまへんわ。ということであれば充填率は100%。

でも、そんな結晶は存在しない。実は、最も詰まっている構造の充填率で74%。つまり、固体の結晶(金属や塩や氷)などもスカスカで隙間だらけの構造やっていうわけやね。

ではでは、その充填率というものをどうやって求めていくか。これを求められると、その結晶がどのくらいの密度なのかなどがわかる。例えば、水に浮くくらい軽い物質なのかそれとも水に突っ込むと沈んじゃうくらい重い物質なのかってね。

高校化学でよく出てくる充填率の計算は、体心立方格子、面心立方格子、六方最密構造の3つ。

面心立方格子は別名で立方『最密』構造っていうよ!

ということは、面心立方格子(立方最密構造)と六方最密構造が最も充填率の高い最密構造だということがわかる。ちなみにこの2つの充填率は74%。

一方で、体心立方格子の充填率はたったの68%。つまり、残りの32%分はスカスカの隙間ということ。ほとんど隙間だらけの構造だわな。

体心立方格子の構造をとる原子はアルカリ金属(Li、Na、Kなど)が挙げられる。

なんでアルカリ金属は体心立方格子なの?

金属結晶はもちろん、金属結合によって形成されてるわな。ということは自由電子が原子の周りをぐるぐる回って結合し、結晶を形成するわけ。できるだけ密に結合するはずだから、金属は本来は『最密構造』をとるはずなんだな。なのにも関わらず、アルカリ金属だけは例外的に充填率の低い耐震立方格子をとる。

だから、それはわかったけど、なんでなん?何でアルカリ金属は体心立方格子をとるわけ?

アルカリ金属の価電子は1個だろ?つまり金属結合するための自由電子が1個の原子あたり1個しかないわけだ。接着剤(自由電子)の少ない金属結晶はどうなると思う?
密には結合することはできずに、スカスカの構造をとるようになるんだな。

以上より、スカスカの構造を取るリチウムLiの密度は非常に小さい。水の半分程度の密度しかない。したがって、理論上、リチウムは『水に入れると浮く金属』と言える。(実際はアルカリ金属なので、水に突っ込むと火柱が立つと思われる。)

リチウムを水に突っ込むと火柱が立つ。(と思う。やったことない笑)

【まとめ】金属結晶は最密構造を取りがち。とはいえ、アルカリ金属は例外的。

六方最密構造の充填率の求め方

【体心立方格子の充填率】は立方体を対角線上に切って断面図を見てあげると充填率(空間中に原子が占める割合)を求められるね。求めると大体68%になる。

【面心立方格子の充填率】は面を見てね。面を見たらこれは簡単。充填率は74%。六方最密充填構造と同じ充填率を誇るわけだ。面心立方格子の別名が立方『最密』充填構造である理由も頷けるよね。

【六方最密構造の充填率】は、まずは六角柱を見てあげる。六角柱は頂点部分は1/3の半分だから1/6だね。あとはまあ、いけるでしょ。計算すると、六角柱中に6つの球がある。

六方最密構造の単位格子は六角柱の1/3だからね!わからない人はちゃんと教科書で確認しなよ!!

まっそういうことで、単位格子中には2個の球があるわけ。あとは求められるよね。ちなみに六方最密の配位数をみたいときは六角柱の底辺か上面の真ん中の原子を見て上げるとわかる。12個だわな。

【まとめ】六方最密構造の単位格子は六角柱の1/3のことを指す!これ注意!

組成式と分子式

Twitterの原文ママ

金属結晶の性質:方向性がない金属結合→最密→つまり重い、自由電子で結合→電気伝導性ありで、叩いても割れねぇ。アルミホイル叩いてアルミ玉も作れる。
イオン結晶の性質:固体はイオン動けん→電気伝導性なし、クーロン力で結合してる→融点高い。ガラスなかなか溶けねぇ。https://bit.ly/2UZCmUZ

金属結晶とイオン結晶の違い。どっちが好き?

解説コメント

組成式と分子式って違いあるん?どういうのが組成式でどういうのが分子式がいまいちわしにはわからんぜ。

あたしもわからん。式量と分子量っていうのもあんまりよくわからんのよ。

おっけぃ。その辺の話していくで。組成式っていうのは文字通り、『組成』を表す式のこと。分子式は『分子』を表す式のこと。つまり、組成式っていうのは、あくまで『どういう比率でその物質は構成されているか?』ということを示した式にしかすぎん。例えばNaClは組成式。だってNa1粒とCl1粒で分子を作っているわけじゃないからね。NaとClが1 : 1の割合で形成された結晶、いわばNamClmみたいなことでしょ?それに対して、CO2はCが1粒とOが2粒でできた分子やわな。だから、CO2は分子式になる。

組成式と分子式の違い

組成式と分子式の違いは以下の通り。

  • 組成式は、『組成』を表す式。例:NaCl,Fe,Na2CO3など
  • 分子式は、『分子』を表す式。例:CO2,I2,O2,H2CO3など

つまり、ポイントは、表している式が1粒っていう感じの世界観を表しているのか、でっかい結晶みたいなものを表しているのかということだ。

こいつらは、どれも分子だよ!

簡単にまとめると、

  • 金属、イオン結晶は組成式
  • 分子は分子式

っていうだけ。

(ただし、分子を組成式で無理やり表すことは可能。ここは余談なのでどうでも良い。)

例えば、CO2であれば、CO2っていうC1個とO2個っていうのを表しているでしょ。一方、NaClっていうのはNa1個とCl1個で分子を作っているかい?違うよね。Naがm個とClがm個っていうわけのわからないくらいたくさんの粒子が集まって1つの結晶を作っている。

だから、そもそもNaClって分子じゃないんだよ。だから、分子式で表せない。代わりにNaとClが1:1でできた結晶ですよということを示すために、NaClという組成式が用いられる。Na1Cl1ということね。

ちなみに、酢酸CH3COOHなどの分子も,割合で表すことはできる。

割合つまり、組成で表すとC2H4O2の各元素の割合(組成)で表すと、CH2Oとなる。

酢酸の組成式はCH2Oとなるわけだ。(ちなみにこれについてはあまり問われないので、まあどうでも良いといえばどうでも良い。)

式量と分子量の違いも同じようなもので、組成式で表される化合物に関しては、『式量』という言葉を使い、分子式で表される化合物に関しては、『分子量』という言葉を使う。ただそれだけ。

例えば、CO2の分子量は44で、NaClの式量は58.5って感じ。

無機高分子という言葉は、言い得て妙である

Youtuberがアルミホイル叩いてアルミ玉作って喜んでるでしょ。あれはアルミが金属結合でできてるから変形できるわけ(展性・延性)。イオン結晶のガラス玉叩いたら粉々になるからね。イオン結晶はクーロン力で結合しているからね。SiO2はSi4+とO2-がイオン結合で結合していてだっら〜〜〜って巨大な(SiO2)nみたいな物質を作ってるでしょ。あれがイオン結晶。ガラス。光ファイバーとかもそれ。フラスコとかもね。(SiO2)nって書いたことからもわかるように実はこういうの無機高分子っていうんだわ。

この言葉ってあんまり高校生には馴染みがないかもしれないけど、聞いた時になるほどって思ったね。無機化合物の高分子だもんね。ガラスって。だから『組成』式でしか表せない。CO2は『分子』式だけどね。

価数を見れば水に溶けるかどうかを推測できる

クーロン力って、物理で習うf=k(q1×q2)/r2ってあるじゃん。

2価の陽イオンと陰イオンで構成されるCaOの方が1価の陽イオンと陰イオンで構成されるNaClなんかよりずっとクーロン力が強いわけ。だから、CaOってNaClほど水にも溶けないし、融点も高いのよ。

これは、CaOとNaClに限ったことじゃない。細かい話は無機化学で行うつもりだけど、とりあえず、価数を見れば溶解度を推測できる。(つまり、水に溶けるかどうかを何となく推測することができる。)これって知ってるとちょっとお得だよね。

強固に結び合っていると離れないのである。
NaClって強固なイオン結合なのにどうして水の中で電離するの?

先生。どうして、NaClってイオン結合で結合してますよね?イオン結合ってちょー強い結合ですよね?

せやな。

じゃあ、どうして、水の中に入れたら勝手にバラバラになってイオンになるんですか?

せやな。

せやな。って何ですか?知らないんですか?もしかして…。

知ってるよ!今日は体調悪いねん。

…。

説明するって!!!!!

NaClって機嫌よくNa+とClがくっついて構成されてるのに、水に入れたらNa+とClになるためにわざわざこの強固なクーロン力を切ってバラバラになるのって不思議じゃない?クーロン力切るのってどれだけ大変かわかる?ちょー大変だよ。なのに、さらっと

Na+「Clさんバイバイ!」

なんて感じで、独り身になるでしょ。これは水和による安定性の方がでかいんだわ。Clと離れ離れになるのは辛いけど、水和した方が楽しいから水和しよっと。みたいな感じだね。

イオン結晶の限界半径比

金属結晶は自由電子によって結合しているから方向性のない結合によって金属結晶は構成されているよ。なので、一般には金属結晶の配位数は12なわけだ。『六方最密』か『面心立方』を取るのが普通だからね。例外的にアルカリ金属は自由電子が少ないから『体心立方』を取って、軽い・やわらかい金属になるわけだけど。

でもって、同様に方向性のないイオン結晶も配位数12(球を敷き詰めるのは配位数12がマックスなので)を取りそうなんだけど、そうでもない。これは『限界半径比』によるものだ。

限界半径比っていうのは、r+/rのことで(r+:陽イオンの半径 r:陰イオンの半径)、この値を超えちゃうと陰イオン同士もしくは、陽イオン同士がぶつかりあうような結晶構造を取ってしまう。

斥力が働く粒同士がくっつくわけにもいかない。このギリギリぶつかるかぶつからないかのラインが限界半径比っていうわけ。

限界半径比が0.73以上だと、CsCl型という塩化セシウム型の結晶構造(めっちゃ安定の配位数8)

0.41以上だと、NaCl型(配位数6)

それ以下だとZnS型(閃亜鉛鉱型、配位数4)

となる。難関大学で出題されるような話だね。余談だけど、六方最密構造の単位格子ってあの六角柱の1/3だからね!!!

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ABOUTこの記事をかいた人

ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。