 今日は金属についての勉強です。共有結合やイオン結合などの化学結合を勉強してきましたが，金属原子は金属原子によって結合しています。また，私たちは金属製品をよく使いますが，それらは自然界の物質から作り出されます。その製造には，エネルギーが必要なことも理解しておきましょう。 具体的には， （１）金属結合 （２）金属の結晶 （３）鉄 （４）アルミニウム （５）銅 です。 それでは最初に，金属結合の説明を行いましょう。金属の単体では，各金属原子の価電子は，特定の位置には固定されず，すべての原子に共有され，結晶内を自由に移動します。したがって，自由電子とよばれています。 |
 ９ 金属結合と金属 （１）金属結合 各原子が価電子を出す→自由電子 自由電子がすべての原子に共有される→金属の陽イオンと電子との引力  |
| 金属には金属光沢があり，電気や熱をよく伝える性質を持っています。また，金属には自由に変形する性質があり，たたくと薄く広がる性質を展性，引っ張ると長くのびる性質を延性といいます。 金属の単体の多くは，３つの結晶構造のどれかをとります。３つの結晶構造とは，面心立方格子，体心立方格子，六方最密構造です。 同じ大きさの球を，なるべく密に規則正しく並べる方法の１つに，次のようなものがあります。第２段の球は，第１段のくぼみに１つおきにおきます。第３段の球を，第２段の球が埋めていない第１段の球のくぼみの上におくと，第４段の球は第１段の球の真上にきます。これが面心立方格子です。これに対して，第３段の球を第１段の球の真上においたものが六方最密構造です。体心立方格子では，第１段の球と第２段の球は接していますが，同じ段の球どうしは接していません。  |
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（２）金属の結晶 ＜面心立方格子＞ 銅Ｃｕ，銀Ａｇ，アルミニウムＡｌ 原子数＝８×１/８（頂点）＋６×１/２（面）＝４〔個〕 最密構造の１つ ＜体心立方格子＞ アルカリ金属，鉄Ｆｅ 原子数＝８×１/８（頂点）＋１（中心）＝２〔個〕 最密構造ではない ＜六方最密構造＞ ベリリウムＢｅ，マグネシウムＭｇ，亜鉛Ｚｎ 正六角柱に原子を配置した構造 １個の原子のまわりに１２個の原子が存在 最密構造の１つ |
| 面心立方格子の充填率は７４％で，六方最密構造と同じです。これらが，最も詰まった構造なのです。一方，体心立方格子の充填率は６８％で，やや隙間が多いといえるでしょう。 それでは，私たちがよく使う金属について，その単体のつくりかたを中心に考えていきましょう。最初は鉄です。 鉄は溶鉱炉に鉄鉱石（Ｆｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４など），コークス，石灰石などの原料を入れ，約１３００℃の熱風を吹き込みながら製造します。そこでは，どのような反応が起こっているのでしょうか。 |
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（３）鉄 鉄鉱石（Ｆｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４など）が原料 ２Ｃ ＋ Ｏ２ → ２ＣＯ Ｆｅ２Ｏ３ ＋ ３ＣＯ → ２Ｆｅ ＋ ３ＣＯ２   |
アルミニウムは，電気分解によってつくっていることを知っていましたか。約２０ｇの缶１個分のアルミニウムをボーキサイトからつくるのに，４０Ｗの蛍光灯を約１０時間つけるのと同じ電気量が必要なのです。アルミニウムは「電気の缶詰」なのです。アルミニウム缶をリサイクルする理由がわかりますね。１円硬貨は純粋なアルミニウムです。質量は１ｇです。 |
（４）アルミニウム ボーキサイトから得られる酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３（アルミナ）が原料 融解した状態で電気分解 陽極： Ｃ ＋ Ｏ２− → ＣＯ ＋ ２ｅ− 陰極： Ａｌ３＋ ＋ ３ｅ− → Ａｌ   |
| 最後は銅です。銅は古くから使われている金属です。たぶん，酸化物を比較的簡単に還元できるからでしょうね。中学校のときに，酸化銅（ＩＩ）の還元を実験でやったでしょう。 銅の製造は，銅鉱石（主に黄銅鉱）から純度９８〜９９％の粗銅を取り出します。粗銅のつくり方は，黄銅鉱を焼いて硫化銅（Ｉ）と酸化鉄の混合物を得ます。これを二酸化ケイ素とともに反射炉に入れて加熱し，鉄と分離した後，転炉に入れて空気を吹き込むと粗銅を遊離します。 |
（５）銅 銅鉱石（主に黄銅鉱ＣｕＦｅＳ２）が原料 粗銅を硫酸銅（ＩＩ）水溶液で電気分解→電解精錬 陽極： Ｃｕ → Ｃｕ２＋ ＋ ２ｅ−（粗銅が溶ける） 陰極： Ｃｕ２＋ ＋ ２ｅ− → Ｃｕ（銅が析出）   |
| これまでに，３種類の化学結合について学びました。イオン結合，共有結合，金属結合です。これらの結合は，物資を構成する基本的な結合です。これから化学を学んでいく上で大切なものです。しっかりと理解しておいてください。 それでは，今日の勉強の確認です。 １．金属原子の価電子は，すべての原子に共有され，結晶内を自由に移動することができます。このような電子を何といいますか？→自由電子 ２．金属原子の結合を何といいますか？→金属結合 ３．面心立方格子では，単位格子内に何個の原子を含みますか？→４個 ４．体心立方格子では，単位格内に何個の原子を含みますか？→２個 ５．鉄の原料となる鉄鉱石の主成分は何ですか。化学式で答えなさい。→Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４ ６．アルミニウムの原料になる鉱物は何ですか？→ボーキサイト ７．粗銅を純銅にする方法を何といいますか？→電解精錬 |