共有結合の結晶(ダイヤモンドの単位格子・黒鉛・ケイ素・二酸化ケイ素など)

この記事で学ぶこと

共有結合の結晶(復習)

共有結合によって形成される結晶の中には、沢山の原子が共有結合でつながってできるものがあります。それが、共有結合結晶です。

キーワード

共有結合結晶：多数の非金属元素の原子が共有結合でつながってできる結晶

共有結合結晶の種類は少なく、高校化学で頻出なのは「黒鉛」「ダイヤモンド」「ケイ素」「二酸化ケイ素」だけです。

共有結合結晶は原子が無数に集まったものであるため、特定の分子は存在しません。
したがって黒鉛・ダイヤモンドはC、ケイ素はSi、二酸化ケイ素はSiO₂のように組成式で表します。

共有結合結晶には、次の３つの性質があります。

ダイヤモンドは、炭素原子の価電子を４つ全て使って他の炭素と共有結合してできる結晶です。

ダイヤモンドの特徴

【概要】
ダイヤモンドの単位格子は、上図のように４つの炭素原子が８等分した小立方体の中心を１つおきに占め、残りの炭素原子が面心立方格子の配置をとっています。

【原子の数】
面心立方格子の配置＋４つの原子なので、炭素原子の数は、8×\(\frac{1}{8}\)＋6×\(\frac{1}{2}\)＋4＝8個となります。

【配位数】
小立方体の中心に位置する原子に着目すると、配位数は4であることがわかります。

黒鉛は価電子３つを他の炭素と共有結合することでできる結晶です。

残り１つの電子は平面構造上を動いています。
また、平面構造間は分子間力がはたらいています。

ダイヤモンドと黒鉛は同じ炭素原子から成る結晶ですが、その特徴は大きく異なります。

黒鉛の性質

単体のケイ素は、ダイヤモンドと同じ構造をもつ共有結合結晶です(炭素と同じく価電子４で同族元素のため)。

ケイ素の電気伝導性は、電気を通す導体と電気を通さない絶縁体の中間にあります。
このような物質を半導体と呼びます。

そのためケイ素は、集積回路や太陽電池などに用いられています。

二酸化ケイ素はSi-Oが繰り返されてできる共有結合結晶です。

組成式がSiO₂な理由は、
酸素原子１つにつきケイ素原子が２つ結合しているためケイ素と酸素の比が、
Si：O＝１：1/2×４＝１：２となるからです。

二酸化ケイ素は、天然で石英や水晶として産出されます。
利用例として、窓ガラスや光ファイバーがあります

この記事を書いた人

そがし

筑波大化学類の学部生。偏差値４９の高校から一般入試で筑波大・明治大に合格し、高校化学をメインとして大学受験に役立つ情報を発信しています。