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高校化学の実験や授業の工夫を紹介しています。これまでに紹介されている授業・実験を検証し、よりよいものへと進化させたいと願っています。 そのために、分子模型と結晶構造模型そして実験装置の販売/受注生産をしています。安価にできる実験装置や模型作りの道具や分子模型・結晶構造模型の作り方も解説します。化学の授業で活用されることを願っていますが、家庭のインテリアとしてもご利用ください。模型や道具もできるだけ安価に提供していきます。
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結晶模型表面はアクリル板をカットして作ります
2019.01.02
テーマ： 化学(351)
カテゴリ： 授業
「なんで水銀は常温で液体なの？」①ー10歳の質問から
以来、高校生レベルまででどう説明するか、問題をどう切り分けて説明するか悩んできましたが、
年越しちゃったし、ここでなんとか説明する努力をしてみたいと思います。
２つの視点から説明してみようと思います。
①今回注目するのは、金属元素のみです。上のグラフの赤枠。
5.6.7族を以外では、周期が大きくなるにつれて融点が下がっています。
水銀Hgが液体(Zn-Cd-Hgと融点が下がる)傾向は金属元素の一般的傾向です。
なぜそうなるのか、説明していきます。
②13.14族に比べて12族は融点が特に低い(融点の谷のよう)。上のグラフの緑枠。
12族の最も外側の電子軌道はZn亜鉛N殻4s軌道、CdカドミウムO殻5s軌道、Hg水銀P殻6s軌道、それぞれ2つの電子が入っています。これが融点を下げる原因として説明できそうです。
12/19のブログに続けて【４】から始めます。
【４】融点と結合力の関係
①温度が高くなると原子の振動は大きくなります。温度は原子の振動の目安です。
②固体では原子が整然と並んでいますが、温度が高くなる(原子のブルブルが激しくなる)と並んでいた原子がほどけてバラバラになります。これが融点です。
③融点は結合力(原子を並ばせておく引力)と温度(並んだ原子をバラバラにする運動)のバランスで決まります。
「融点が高いということは結合力が強い」 とわかります。
【５】周期が大きくなると(周期表で下にいくほど)融点がさがる理由
1族を例に話しします。どの族でも(Hgのある12族でも)同じです。
周期が大きくなると、より外側の電子殻に電子が入るようになります。
その結果、原子の半径(上の数字)は大きくなります。原子核はとても小さいので、原子の半径は周りを取り囲む雲のような電子集団の大きさです。
上図上（1族）では原子が大きくなると、＋とーの距離が離れて静電気的引力が弱まる様子を表しています。
金属原子のサイズが大きくなる→結合力が弱まる→融点が下がる。
最初の融点のグラフに現れるように、LI(融点180℃)-Na-K-Cs(28℃)と融点は下がっていきます。
ついでに言うと、
上図下(1族と2族)。１族では１つの原子から生じる自由電子とイオンは１つずつ。2族では１つの原子から２つの自由電子と２＋の陽イオンが生じます。たくさんの自由電子により２＋の陽イオンが引きつけられるのでより強い結合が生じます。
したがって、1族と2族の融点を比べると2族の金属元素の融点はとても高いのです。
【６】K.L.M.N…電子殻を構成するs.p.d.f電子軌道:
「12族、水銀Hgのなかまの融点はなぜ低いのか」を説明するには、電子殻を構成するs.p.d.f電子軌道の話をしなければなりません。s.p.d.f電子軌道のそれぞれには２つの電子が入ります。
K殻はs軌道によって作られています。s軌道に２つ電子が入っていっぱいです。
L殻はs軌道と３つのp軌道からなります。s軌道に２つ、３つのp軌道に６つ電子が入り、計８つの電子でL殻はいっぱいになります。
M殻はs軌道、３つのp軌道、５つのd軌道があり、18個の電子でいっぱいになります。
N殻はsと３つのp、５つのd、７つのfからできています。
これらの軌道に電子が一つずつ入っていって色々な原子が作られます。その様子は以下の図で
(ダイナミックワイド図説化学より)
この図はK.L.M.N電子殻の電子軌道にどんな順で電子が詰まっていくかを表したものです。
それぞれの電子軌道にぴったり電子が入ると原子は安定状態になります。
例えば、Heヘリウムは１sに２つぴったり入り、電子の出し入れはしにくくなります(結合をつくらない)。
Arアルゴンは３つのp軌道がちょうど満杯です。これも電子の出入りはしません。
【７】12族、水銀Hgのなかまの融点はなぜ低いのか
Hg水銀の融点の低さを説明するために、同じ12族Zn亜鉛の電子軌道の様子でお話しします。
（Zn亜鉛ではN殻=1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)…3d(10)4s(2))
上の電子配置の図中Zn亜鉛をみてください（赤マーカー）。ちょうど、４s軌道にぴったり２つです。
（Hg水銀ではP殻=1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)…6d(10)6s(2))
ちょうど電子が詰まると安定化し、電子を出したがらなくなる＝自由電子が少なくなるので【５】で話したように結合力が弱まります。
さらに、１s軌道や２s軌道は電子の運動スピードが速く(1sで光速の半分以上の速度)、光速近くで動く物体の質量はどんどん重くなり（相対論）、Hg水銀あたりでは電子は１s軌道で本来の質量の1.2倍になります(相対論効果)。相対論効果は原子番号の２乗に比例して大きくなります。
相対論効果によれば、１sや２s軌道さらには２p軌道を回る電子はより原子核に近いところにあります。
その周りにある電子軌道にも影響を与え、Zn亜鉛の４sやHg水銀の6s軌道もより原子核に近い＝自由電子として離れ難い状態になっています。
【８】まとめ：Hg水銀の融点が低い＝常温で液体のわけ
①原子が大きいので、自由電子(ー)と陽イオン(＋)間の静電気力が弱い
②６s電子軌道にちょうど電子が２つつまっていて、自由電子として放出しにくい(陽イオンにもなりにくい)
③「相対論効果」により６s電子軌道が原子核に近く、原子核に束縛されやすくて自由電子として放出しにくい
【９】お詫び
この質問は説明するのに難しい。ずーっとどう答えるか悩んでいました。
イメージとして伝えることができれば、小中高校生に伝わりやすいのですが、
イメージが浮かんできません。量子力学や相対論は数学の世界です。
これをビジュアライズすることは私にはできなかった。
また、私自身の理解不足や勘違いもあるのではないか不安です。
間違えていたらごめんなさい。
もう少し、わかりやすい説明がありましたら教えてください。
お願いします。
以来、高校生レベルまででどう説明するか、問題をどう切り分けて説明するか悩んできましたが、
年越しちゃったし、ここでなんとか説明する努力をしてみたいと思います。
２つの視点から説明してみようと思います。
①今回注目するのは、金属元素のみです。上のグラフの赤枠。
5.6.7族を以外では、周期が大きくなるにつれて融点が下がっています。
水銀Hgが液体(Zn-Cd-Hgと融点が下がる)傾向は金属元素の一般的傾向です。
なぜそうなるのか、説明していきます。
②13.14族に比べて12族は融点が特に低い(融点の谷のよう)。上のグラフの緑枠。
12族の最も外側の電子軌道はZn亜鉛N殻4s軌道、CdカドミウムO殻5s軌道、Hg水銀P殻6s軌道、それぞれ2つの電子が入っています。これが融点を下げる原因として説明できそうです。
12/19のブログに続けて【４】から始めます。
【４】融点と結合力の関係
①温度が高くなると原子の振動は大きくなります。温度は原子の振動の目安です。
②固体では原子が整然と並んでいますが、温度が高くなる(原子のブルブルが激しくなる)と並んでいた原子がほどけてバラバラになります。これが融点です。
③融点は結合力(原子を並ばせておく引力)と温度(並んだ原子をバラバラにする運動)のバランスで決まります。
「融点が高いということは結合力が強い」 とわかります。
【５】周期が大きくなると(周期表で下にいくほど)融点がさがる理由
1族を例に話しします。どの族でも(Hgのある12族でも)同じです。
周期が大きくなると、より外側の電子殻に電子が入るようになります。
その結果、原子の半径(上の数字)は大きくなります。原子核はとても小さいので、原子の半径は周りを取り囲む雲のような電子集団の大きさです。
上図上（1族）では原子が大きくなると、＋とーの距離が離れて静電気的引力が弱まる様子を表しています。
金属原子のサイズが大きくなる→結合力が弱まる→融点が下がる。
最初の融点のグラフに現れるように、LI(融点180℃)-Na-K-Cs(28℃)と融点は下がっていきます。
ついでに言うと、
上図下(1族と2族)。１族では１つの原子から生じる自由電子とイオンは１つずつ。2族では１つの原子から２つの自由電子と２＋の陽イオンが生じます。たくさんの自由電子により２＋の陽イオンが引きつけられるのでより強い結合が生じます。
したがって、1族と2族の融点を比べると2族の金属元素の融点はとても高いのです。
【６】K.L.M.N…電子殻を構成するs.p.d.f電子軌道:
「12族、水銀Hgのなかまの融点はなぜ低いのか」を説明するには、電子殻を構成するs.p.d.f電子軌道の話をしなければなりません。s.p.d.f電子軌道のそれぞれには２つの電子が入ります。
K殻はs軌道によって作られています。s軌道に２つ電子が入っていっぱいです。
L殻はs軌道と３つのp軌道からなります。s軌道に２つ、３つのp軌道に６つ電子が入り、計８つの電子でL殻はいっぱいになります。
M殻はs軌道、３つのp軌道、５つのd軌道があり、18個の電子でいっぱいになります。
N殻はsと３つのp、５つのd、７つのfからできています。
これらの軌道に電子が一つずつ入っていって色々な原子が作られます。その様子は以下の図で
(ダイナミックワイド図説化学より)
この図はK.L.M.N電子殻の電子軌道にどんな順で電子が詰まっていくかを表したものです。
それぞれの電子軌道にぴったり電子が入ると原子は安定状態になります。
例えば、Heヘリウムは１sに２つぴったり入り、電子の出し入れはしにくくなります(結合をつくらない)。
Arアルゴンは３つのp軌道がちょうど満杯です。これも電子の出入りはしません。
【７】12族、水銀Hgのなかまの融点はなぜ低いのか
Hg水銀の融点の低さを説明するために、同じ12族Zn亜鉛の電子軌道の様子でお話しします。
（Zn亜鉛ではN殻=1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)…3d(10)4s(2))
上の電子配置の図中Zn亜鉛をみてください（赤マーカー）。ちょうど、４s軌道にぴったり２つです。
（Hg水銀ではP殻=1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)…6d(10)6s(2))
ちょうど電子が詰まると安定化し、電子を出したがらなくなる＝自由電子が少なくなるので【５】で話したように結合力が弱まります。
さらに、１s軌道や２s軌道は電子の運動スピードが速く(1sで光速の半分以上の速度)、光速近くで動く物体の質量はどんどん重くなり（相対論）、Hg水銀あたりでは電子は１s軌道で本来の質量の1.2倍になります(相対論効果)。相対論効果は原子番号の２乗に比例して大きくなります。
相対論効果によれば、１sや２s軌道さらには２p軌道を回る電子はより原子核に近いところにあります。
その周りにある電子軌道にも影響を与え、Zn亜鉛の４sやHg水銀の6s軌道もより原子核に近い＝自由電子として離れ難い状態になっています。
【８】まとめ：Hg水銀の融点が低い＝常温で液体のわけ
①原子が大きいので、自由電子(ー)と陽イオン(＋)間の静電気力が弱い
②６s電子軌道にちょうど電子が２つつまっていて、自由電子として放出しにくい(陽イオンにもなりにくい)
③「相対論効果」により６s電子軌道が原子核に近く、原子核に束縛されやすくて自由電子として放出しにくい
【９】お詫び
この質問は説明するのに難しい。ずーっとどう答えるか悩んでいました。
イメージとして伝えることができれば、小中高校生に伝わりやすいのですが、
イメージが浮かんできません。量子力学や相対論は数学の世界です。
これをビジュアライズすることは私にはできなかった。
また、私自身の理解不足や勘違いもあるのではないか不安です。
間違えていたらごめんなさい。
もう少し、わかりやすい説明がありましたら教えてください。
お願いします。
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