六方最密型とイオン結晶3 - kyoto university of...
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六方最密型 と イオン結晶 3
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ
化学』1999,化学同人,p.35.
四面体サイト 1/2
AB
配位数 4:4
ウルツ鉱型 ZnS
ウルツ鉱(ウルツァイト)型
大木道則,大沢利昭,田中元治,千原秀昭編集「化学大辞典」1989,東京化学同人,p.231.
六方最密型 と イオン結晶 1
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ
化学』1999,化学同人,p.35.
八面体サイト 1/2
AB2
配位数 6:3
ヨウ化カドミウム型 CdI2
ヨウ化カドミウム型
大木道則,大沢利昭,田中元治,千原秀昭編集「化学大辞典」1989,東京化学同人,p.231, 変更
六方最密型 と イオン結晶 2
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ
化学』1999,化学同人,p.35.
八面体サイト 2/3
A2B3
配位数 6:4
α-アルミナ型 Al2O3
α-アルミナ型
斎藤一夫・柴田村治共著『無機化学の基礎』1974,大日本図書,p.72.
上の隙間の Al3+ の配置
下の隙間の Al3+ の配置
面心立方型 と イオン結晶
四面体サイト 1
A2B
配位数 4:8
四面体サイト 1/2
AB
配位数 4:4
八面体サイト 1
AB
配位数 6:6
四面体サイト 1/2
C
配位数 4
大城芳樹,平嶋恒亮著
『図表で学ぶ化学』
1999,化学同人,p.35.
NaCl 型 イオン結晶
B.H. Mahan 著,塩見賢吾,吉野諭吉,東慎之介訳『メイアン・大学の化学(第二版)[Ⅰ]』1972,廣川書店,p.121.
閃亜鉛鉱型 と ホタル石型
B.H. Mahan 著,塩見賢吾,吉野諭吉,東慎之介訳『メイアン・大学の化学(第二版)[Ⅰ]』1972,廣川書店,p.122,123.
体心立方型 と イオン結晶
原子の半数を置換
AB
配位数 8:8
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ
化学』1999,化学同人,p.35.
体心格子 と ルチル型
TiO2
竹本喜一・伊藤克子共著『化学教科書シリーズ 一般化学』1996,丸善,p.69.
Ti4+ : 直方体の体心格子, 配位数6(八面体), 単位格子中の原子数2O2- : 配位数3(平面三角形), 単位格子中の原子数4
イオン結晶 の 例
表 立方型最密充填から導かれるいろいろな構造
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━用いた空孔 充填割合 名称 例━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━八面体型 1 岩塩 Li,Na,K,Rbの各ハロゲン化物;
NH4Cl,NH4Br,NH4I,AgF,AgCl,AgBr;Mg,Ca,Sr,Baの各酸化物および硫化物
四面体型 1/2 閃亜鉛鉱 ZnS,CuCl,CuBr,CuI,AgI,BeS
四面体型 1 ホタル石 CaF2,SrF2,BaF2,PbF2,HfO2,UO2
1 逆ホタル石 Li,Na,K,Rbの各酸化物および硫化物━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
B.H. Mahan 著,塩見賢吾,吉野諭吉,東慎之介訳『メイアン・大学の化学(第二版)[Ⅰ]』1972,廣川書店,p.122.
イオン結晶 の 分類充填構造
空隙 空隙充填率
組成比 A配位数
B配位数
構造 電荷 例
六方型 八面体サイト 1/2 1 : 2 6 3 塩化カドミウム型 A2+ B-2 CdCl2, MgCl2, FeCl2, NiCl2
ヨウ化カドミウム型 A2+ B-2 CdI2, MgBr2, Ca(OH)2
A4+ B2-2 SnS2, PtO2
2/3 2 : 3 6 4 α-アルミナ型 A3+2 B2-
3 Al2O3, Cr2O3, Fe2O3
四面体サイト 1/2 1 : 1 4 4 ウルツ鉱型 A2+ B2- ZnS, CdS, ZnO, BeO
A3+ B3- AlN, InN
立方型 八面体サイト 1 1 : 1 6 6 岩塩型 A+ B- NaCl, KBr, LiH, AgCl, NH4Cl
A2+ B2- MgO, FeO, PbS, CdO
A3+ B3- LaN, CeP
四面体サイト 1/2 1 : 1 4 4 閃亜鉛鉱型 A+ B- CuCl, CuBr, CuI, AgI
A2+ B2- ZnS, BeS
1 1 : 2 8 4 ホタル石型 A2+ B-2 CaF2, HgF2, SrF2, BaF2, PbF2
A4+ B2-2 ThO2, HfO2, UO2
1 2 : 1 4 8 逆ホタル石型 A+2 B2- Li2O, Na2O, K2S, Rb2S
体心型 - - 1 : 2 6 3 ルチル型 A2+ B-2 FeF2
A4+ B2-2 TiO2, MnO2
体心の置換 - 1 : 1 8 8 塩化セシウム型 A+ B- CsCl, TlBr, NH4Cl
斎藤一夫・柴田村治共著『無機化学の基礎』1974,大日本図書,p.68,参照
イオン結晶の破壊
田嶋和夫・上野實・越沼征勝・小林光一・中村昭雄・本山泉共著『一般化学-現代化学のすがた-』1998,丸善,p.41.
イオン結晶 機械的強度
B.H. Mahan 著,塩見賢吾,吉野諭吉,東慎之介訳『メイアン・大学の化学(第二版)[Ⅰ]』1972,廣川書店,p.93.
強
弱
化学結合と融点・沸点
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━結合 物質 融点〔℃〕 沸点〔℃〕━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━イオン結合 NaCl 801 1467
CaO 2572 2850共有結合 C 3500以上 4918
SiO2 1550 2950金属結合 Al 660 2486
Fe 1535 2754ファン・デル・ N2 -210 -196ワールス結合 CH4 -183 -162(分子間に働く力) l2 114 183水素結合 HF -83 20
H20 0 100CH3OH -98 65
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━藤谷正一・木野邑恭三・石原武司共著『絵とき化学反応の見方・考え方』1989,オーム社,
p.14.
水素結合と融点,沸点
野村良紀・中村吉伸共著『化学教科書シリーズ 基礎化学』2003,丸善,p.72.
ファンデルワールス力は,分子量と共に増大する。
すなわち,分子量の増加につれて,融点,沸点は高くなる。
H2O,NH3 は,水素結合の大きな分子間力により,低分子量にもかかわらず,融点,沸点が高い。
熱
藤谷正一・木野邑恭三・石原武司共著『絵とき化学反応の見方・
考え方』1989,オーム社,p.26.
熱の移動
↓
熱平衡
熱とは
移動した分子の
エネルギー
温度
藤谷正一・木野邑恭三・石原武司共著『絵とき化学反応の見方・考え方』1989,オーム社,p.26.
温度とは
分子の熱運動の
激しさの尺度
分子の運動エネルギー
の平均値は,絶対温度
に比例する
気体分子の運動エネルギー
気体分子の平均速度 0℃
ベンゼン 78 272.2 m s-1
アルゴン 40 380.8窒素 28 454.2水蒸気 18 566.5ヘリウム 4 1204.0水素 2 1692.0
気体分子の並進運動の平均エネルギー
3E = ━━ nRT
2
野村良紀・中村吉伸共著『化学教科書シリーズ 基礎化学』2003,丸善,p.81.
Maxwell-Boltzmann 分布 1
B.H. Mahan 著,塩見賢吾,吉野諭吉,東慎之介訳『メイアン・大学の化学(第二版)[Ⅰ]』1972,廣川書店,p.68.
速さが c~c+Δc にある割合
ΔN m mc2
------ = (---------)3/2 exp( - ------- )×4πc2 ΔcN 2πkT 2kT
ボルツマン因子 × c2 - 因子
c → 大 ½ mc2 (運動エネルギー) → 大
小 大×
高エネルギー状態 状態数が大きいの分子の割合は と分子の割合も
小さい 大きい
状態数 : ランダムさを表す数・ c (cx, cy, cz) のcx, cy, cz の組合せの数・ 半径 c の球殻の体積 4πc2Δc に比例
状態数は c が大きいほど大きい。
c = 0 の状態は1つのみ。
P(c)速さ c となる確率
Maxwell-Boltzmann 分布 2
0
2E-09
4E-09
6E-09
8E-09
1E-08
1.2E-08
1.4E-08
0 500 1000 1500P(
c)
窒素分子の速さ c /ms-1
100 K200 K300 K400 K500 K
0
10000000
20000000
30000000
40000000
0 500 1000 1500
P(c)
窒素分子の速さ c /ms-1
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0 500 1000 1500
P(c)
窒素分子の速さ c /ms-1
100 K200 K300 K400 K500 K
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0 500 1000 1500
P(c)
窒素分子の速さ c /ms-1
300 K
ボルツマン因子 c2 - 因子
Δc
P(c)
NN P c c
P c c
NN 1
全ての事象についての確率の和は1
m mc2(---------)3/2 exp( - ------- )2πkT 2kT 4πc2
×
ΔN------
N
速さがc~c+Δcにある割合
液体分子の運動エネルギー
野村良紀・中村吉伸共著『化学教科書シリーズ 基礎化学』2003,丸善,p.85.
温度上昇により
蒸発可能な分子
の数が増加した
物質の三態
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ化学』1999,化学同人,p.26.
固体
液体
気体
固相
液相
気相
物質の三態と相転移
田嶋和夫・上野實・越沼征勝・小林光一・中村昭雄・本山泉共著『一般化学-現代化学のすがた-』1998,丸善,p.55.
三態 相転移
固体
固 ⇔ 液
液体
液 ⇔ 気
気体
気 ⇔ 固
物質の三態と分子の運動
振動 並進,回転 並進,回転
野村良紀・中村吉伸共著『化学教科書シリーズ 基礎化学』2003,丸善,p.70.
相図 phase daigram 1
圧
力
P
温度 T
三重点 臨界温度
固
体
液
体
超臨界流体
気体
温浴加熱
加圧
気相
凝縮相
気液界面の消失
BD,C
E
超臨界流体
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で
学ぶ化学』1999,化学同人,p.27.
二酸化炭素 CO2
臨界点 31 ℃
臨界点以上では,気体と
液体の界面が消滅し,
気体と液体の区別が
つかなくなる
カフェインの抽出溶媒に利用
E
B : 気体のみ
E : 液体のみ
相図 phase daigram 2
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ化学』1999,化学同人,p.26.
温度-エネルギー曲線
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ化学』
1999,化学同人,p.27.
野村良紀・中村吉伸共著『化学教科書
シリーズ 基礎化学』2003,丸善,p.68.
顕熱と潜熱
顕熱 潜熱
(相転移に必要なエネルギー)
比熱 融解熱 凝固熱
(温度-エネルギー曲線の傾き) 蒸発熱 凝縮熱
昇華熱 凝固熱
エネルギー値は下線で示した用語で呼称する。
例:黒鉛の昇華熱は 718.4 kJ mol-1 である。
氷,水,水蒸気
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ化学』1999,化学同人,p.26,27.
水の相変化 圧力-温度
中村義男著『化学熱力学の基礎』1995,三共出版,p.103.
融解
蒸発
昇華
凍結乾燥
水の相変化 体積-温度
大城芳樹,平嶋恒亮著『図表で学ぶ化学』
1999,化学同人,p.26.
圧力をかけると体積は小さくなる
通常の物質
モル体積 液体 > 固体
加圧により 液体 → 固体
高圧下での融点 上昇
水
モル体積 固体 > 液体
加圧により 固体 → 液体
高圧下での融点 降下