共有結合・イオン結合・金属結合・ファンデルワールス力・水素結合の強さの順番を結晶から考察する【化学基礎】

4つの結晶の種類と結合

4つの結晶

どうも〜!ニシジマです。今回は,共有結合・イオン結合金属結合・ファンデルワールス力・水素結合の強さの順番を『結晶』から紐解いていくことにするよ!

了解!結晶の名称と結合について,まずはまとめていこう!

結論から言うと,結合の強さは,

共有結合イオン結合金属結合>>水素結合>ファンデルワールス力

である。ファンデルワールス力はかなり弱く,ファンデルワールス力を1とすると,水素結合は20〜100程度の力になる。

水素結合はそこそこ強いが,共有結合イオン結合金属結合のような結合ではなく,あくまで静電気的な力でちょこっと引き合ってる程度のイメージ。

『水素結合は強い』とよく高校で教えられるので,めちゃくちゃ強いイメージを持つ人もいるが,水を熱して水蒸気にすると,ほぼ水素結合は完全に切れているようなものなので,たかだかその程度の力の強さなのである。

共有結合の結晶

共有結合の結晶 ダイヤモンド

共有結合の結晶の情報

  • 代表例 ダイヤモンド 水晶
  • 何からできているか 非金属
  • 特徴 めちゃくちゃ硬い

共有結合はとにかく強い結合です。代表例にも挙げたように,ダイヤモンドってめちゃくちゃ硬いですよね。

それから,水晶。これは,いわゆるSiO₂の塊で,巨大なSiO₂の『無機物の高分子』です。

要するに,『・・・SiO₂−SiO₂−SiO₂−SiO₂・・・』永遠と繰り返される,(SiO₂)nという『無機高分子』の結晶なんですね。

(ガラスも同じ組成で,『・・・SiO₂−SiO₂−SiO₂−SiO₂・・・』永遠と繰り返される,(SiO₂)nですが,ガラスはアモルファスと呼ばれる,『非晶質』なので,似て非なるものです。)

水晶は硬く割れにくい性質を持っています。見た目はガラスとよく似ていますけどね。

共有結合がものすごく強いおかげで,共有結合の結晶はなかなか結合を切って液体になろうとはしません(=融点が高い)。

例えば,ダイヤモンドは8000 ℃くらいにならないと液体にはならないのです!!!

まあ,普通の空気がある条件下で,こんな実験をしたら,ダイヤモンドは燃えて二酸化炭素になってしまうでしょうが…笑

超過酷な木星や海王星の(星の)中心部には,液体のダイヤモンドが存在しているとも言われているよ。死ぬほど過酷(=高圧,高温)条件下じゃないと液体にならないんだわ。
こんな状況を実験的にであっても地球では作れないので,多分私たちは一生『液体ダイヤモンド』を見ることはないと思う。悲しいなあ。

液体ダイヤモンドは私たちが一生お目にかかれないくらい,共有結合の結晶って硬い!ってことね!わかったわ!

イオン結晶

イオン結晶 塩

イオン結晶の情報

  • 代表例 塩(しお)
  • 何からできているか 金属と非金属
  • 特徴 硬いがもろい。(※もろいとは,叩くと割れてしまうという意味。)

イオン結晶とはイオン結合でできている結晶のこと。

これまたそこそこ強い結合なんですよ。『クーロン力(または,静電気力)』という力で結合している結晶で,代表的な物質が,食卓にある塩。

塩(塩化ナトリウム)の結晶は実は,すごい硬い『イオン結合』という結合で形成されているので,フライパンで炙ってもなかなか液体になりません。

液体になった塩を見たことはありますか?

ないですよね笑

そういうことです。フライパンで炙っても液体にならないくらい硬い結合なのです。

確かにフライパンで塩を炙っても液体にならないけど,砂糖は簡単にカラメルになっちゃうね!

そうだね。塩は強固なイオン結合で形成されているから硬くてなかなか液体にならないけど,砂糖はイオン結合で形成されていないから簡単に液体になっちゃうんだね。

硬くてもろい…か。『もろい』理由は学校で習ったことがあるわ。イオン結合の図からも明らかね。叩いたら,+と+がこんにちは,−と−がこんにちはでしょ?

そういうこと。説明はさすがに割愛。教科書読んでね!

金属結晶

金属結晶 鉄

金属結晶の特徴

  • 代表例 アルミニウム 鉄 ニッケル マグネシウム
  • 何からできているか 金属
  • 特徴 展性・延性がある

展性・延性って何?

展性っていうのは,『展』という漢字が『展(ひろ)げる』という意味があるように,叩いて,金箔のような薄い物を作り上げることができる性質。
延性というのは,針金のように,細長い物を作り上げる性質。

自由電子で結合しあっているから,叩いても結合が壊れずに,自由電子は自分の動ける道を探し続ける。自由電子で互いの原子核が結合されている限り切れないってわけね。

そういうことだね。有田ちゃんが物わかりがいい時は,そろそろ説明を省いて寝たい時だっていうのは裏話だね!

金属結晶は金属結合で形成される結晶。そこそこ硬い結晶なので,確かに,鍛冶師の人が真っ赤な鉄を叩いて日本刀を作ったりしてるけど,あのくらいに温度を上げても鉄はまだ液体にならないのです。

そのくらい硬い結合なのですね。また,叩いて刀の形に形成することからも,金属結晶は展性・延性に富むことがわかります。昔,アルミホイルを叩いて,アルミニウムの玉を作るのがYoutubeで流行りましたが,あれはまさしく金属結晶の展性・延性という性質を用いて作られています。

Youtuber羨ましいですね。不労所得で生きたい。そう切望しながら眠気まなこを擦り書くブログ。本当はもう寝たいっすよ!!!でも書いて1万でも2万でも働かずに稼げるようになって,ぼ〜〜〜〜っとして暮らしたい。それを願って今日も書いているのです。このブログでは化学ネタを高校生・大学1・2年生向けに書いております。ブックマークしてくれると嬉しいです!

水素結合とファンデルワールス力

水素結合をしている氷

水素結合の特徴

  • 代表例 氷  フッ化水素 アンモニア
  • 何からできているか 何からできているというより,基本的なイメージは『分子間』
  • 特徴 弱く引かれあってるだけの結合。ファンデルワールス力よりは強い。

分子結晶の特徴

  • 代表例 ドライアイス ヨウ素 ナフタレン
  • 何からできているか 分子がただ集まってできる結晶
  • 特徴 ものすごく弱いファンデルワールス力によって形成されている。そのため,昇華性をもつ。

この2つの結合・力は,正直言って,上記の3つの結合,共有結合・イオン結合・金属結合とは比べ物になりません。

同じ『結合』というワードが使われていますが,別物だとお考えください。かなり弱い結合。

水素結合もファンデルワールス力も,

分子間で静電気的にちょこっと引かれあってるだけ

で,結合しているわけではないと言ってもよいくらいのものです。

(さすがに言い過ぎましたが笑。あと,分子間というのは『一般的に』という話です。タンパク質などの水素結合など例外的なものは除きます。)

ということで,水素結合によって固体を形成している氷。ファンデルワールス力によって固体を形成しているドライアイス。

これらは共に,熱することなく,常温で簡単に水に(=融解),そして,二酸化炭素(=昇華)に変わるわけです。

対して,イオン結晶の塩化ナトリウム。こいつは,フライパンで炙っても液体にならない。めちゃくちゃわけのわからない高温にして,初めて『融解塩電解(溶融塩電解)』が起こるのです!!!

なるほどねぇ〜。確かに,氷はすぐに水になるし,水蒸気にもなる。ドライアイスなんて,寒くても気化しちゃうもんね。水素結合やファンデルワールス力が,共有結合やイオン結合や金属結合と比べ物にならないことはよくわかったよ!

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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。