５　金属結合と金属ｈ

【金属結合と金属の性質】

金属結合

金属元素どうしの結合を〔　金属結合　〕という。金属元素は多数の原子が集まって結合し，結晶となっている。金属の原子が多数で結合するときは，まず各金属原子が価電子（最外殻の電子）を放出して〔　陽イオン　〕になる。陽イオンどうしは反発しあうので，直接結合することはないが，放出された電子によって，陽イオンどうしが集まる。この電子は陽イオンの間を自由に動き回ることができる（下左図）。このような電子を〔　自由電子　〕という。金属の結晶は金属のイオン（陽イオン）が自由電子によって互いに引き合って結合していることになる。つまり，金属の結晶を構成している粒子は陽イオンと電子である。金属を化学式で表す場合は，Fe，Cuなどのように組成式（原子の数を最も簡単な比で表した化学式）が用いられ，単体の金属の場合は元素記号がそのまま用いられる。

金属の特徴  　

金属は大きな〔　電気伝導　〕性と〔　熱伝導　〕性をもつ。これは，〔　自由電子　〕の移動によって熱や電気のエネルギーが容易に運ばれるからである。固体の状態で，線に引くことができる〔　延性　〕や箔状にすることができる〔　展性　〕に富む。この性質があるのは，金属の結晶中の陽イオンは〔　自由電子　〕によって引き合っているので，粒子の位置が変わっても互いに引き合う力が変わらない（上右図）からである。また，金属には特有の〔　金属光沢　〕がある。これは外部からの光が〔　自由電子　〕によって反射されるからである。

金属は電気と伝えることから，導体と呼ばれる。これに対して自由電子をもたず電気を導かないものを絶縁体という。単体のケイ素（共有結合からなる物質）やゲルマニウムなどは，導体と絶縁体の中間的な性質をもち半導体とよばれ，太陽電池や集積回路に利用されている。金属は高温にするほど電気抵抗が大きくなる。これは，高温にすると金属原子の熱運動（振動）が激しくなり，自由電子が移動しにくくなるためである。金属を低温にすると電気抵抗が0になる場合があり，この現象を超電導といい，リニアモーターカーや医療機器に利用されている。

例題　次の（ア）〜（エ）の結晶を，それぞれ�@〜�Eの中からすべて選べ。

（ア）　イオン結晶　　（イ）　分子結晶　　（ウ）　金属結晶　　（エ）　共有結晶

�@　アルミニウムAl　　�A　銅Cu　　�B　二酸化ケイ素SiO₂　�C　ナフタレンC₁₀H₈

�D　ドライアイスCO₂　�E　塩化アルミニウムAlCl₃

(ア)　�E　イオンに分けられるもの（金属と非金属からなるもの。非金属とアンモニウムイオンからなるもの）。

(イ)　�C，�D　非金属の元素のみからなるもので，共有結合の結晶（炭素の同素体，ケイ素，二酸化ケイ素など）以外のもの。

(ウ)　�@，�A　金属の元素のみからなるもの。　(エ)　�B　（ダイヤモンド，黒鉛，ケイ素，二酸化ケイ素，炭化ケイ素など）

例題

　次の結晶に関する表を完成させよ。それぞれの空欄に入る語句を指定された項目より選んで記号で答えよ。ただし，それぞれの物質が結晶化した場合で答えよ。

構成粒子　　�@原子　�A分子　�B電子　�C陽イオン　�D陰イオン

結合の種類　�@イオン結合　�A共有結合　�B金属結合　�C分子間力

融点　　　　�@非常に高い　�A高い　�B低い　�C様々

電気伝導性　�@良導体　�A絶縁体　�B絶縁体（水溶液や融解液にした場合良導体）

機械的性質　�@強い・硬い　�A延性・展性がある　�B弱い・軟らかい　�C強い・硬い・もろい　

【金属結合とその利用】

主な金属の特徴と利用

鉄Fe

　融点が高い（1535℃）。湿った空気中に放置すると赤さびが生じる。鉄筋・鉄骨などの建築材，鉄道のレールに用いられる。また，クロム，ニッケルなどとの合金をステンレスといい，さびにくい性質があり幅広い用途がある。

アルミニウムAl

　軽い金属である。飲料の容器や住宅用のサッシなどに用いられる。また，銅，マグネシウム，マンガンとの合金であるジュラルミンは軽くて強い特徴があり，航空機などの機体に用いられている。

銅Cu

　赤色の光沢がある。湿った空気中に放置しておくと，緑青とよばれる緑色のさびが生じる。電気伝導性がよく加工しやすいので調理器具，電線に用いられる。亜鉛との合金は真ちゅう（黄銅）とよばれ，金色の光沢があり楽器，硬貨などに利用される。スズとの合金はブロンズ（青銅）とよばれ，美術工芸品，銅像に用いられる。

銀Ag

　電気と熱の伝導性が最大の金属である。展性・延性も大きく食器，装飾品に使われる。

金Au

　黄金の光沢をもち，展性・延性が最大で加工がしやすい。また，化学的に非常に安定でさびることがない。そのため，金箔にしたり，装飾品に用いられたりする。また，電子機器材料としても利用価値が高い。

水銀Hg

　常温で液体の唯一の金属である。水銀の蒸気は毒性が極めて高い。水銀は多くの金属と合金をつくり，これらはアマルガムとよばれる。

亜鉛Zn，スズSn，鉛Pb

　鉄に亜鉛をメッキしたものをトタン，鉄にスズをメッキしたものをブリキといい，トタンは屋根などの建築材に，ブリキは缶詰の容器に用いられている。鉛はやや青みを帯びた光沢があり，管・板などに形成さら利用される。また，鉛蓄電池（車のバッテリー）の電極に用いられている。鉛は毒性が強い。

【金属の結晶】

面心立方格子 

例題　図は銅および鉄の結晶構造を示している。

(1)それぞれの結晶構造の名称を記せ。

(2)単位格子あたりの原子の数は何個か。　　　　　

(3)1つの原子に接している他の原子の数（配位数）はそれぞれ
　いくらか。
(4)　鉄の単位格子の1辺の長さが2.9×10^-8cmである。鉄の半
　径は何cmか。 √3=1.7

(1)　銅：面心立方格子　　鉄：体心立方格子

(2)　銅：4個　鉄：2個　　(3)　銅：12　鉄：8

(4)　1.2×10⁻⁸cm