結晶の構造

結晶の構造を模した装置を操作して、原子・分子、結晶の構造について学ぶ。

すべての物質は「原子」からできています。また、いくつかの原子の決まった組み合わせを「分子」と言います。さらに、原子が電気を帯びた状態になると「イオン」と呼ばれます。これらが集まることで、さまざまな物質が形づくられています。

原子や分子などが規則正しくならんでできた固体を「結晶」と言います。鉄や銅などの金属のかたまりは、同じ種類の原子（鉄原子や銅原子）が規則正しくならんでできた「金属結晶」です。また、食塩の粒は、塩素イオンとナトリウムイオンが順番にならんでできた「イオン結晶」です。一方、ドライアイスは、二酸化炭素の分子が規則正しくならんだ「分子結晶」です。

結晶は原子や分子が規則正しく並んでいることがポイントです。この並び方が変わると、同じ種類の原子がならんでいても、異なった性質を持つ物質になります。たとえば、鉛筆の芯の材料として使われるグラファイト（黒鉛）と、宝石の一種のダイヤモンドは、どちらも炭素原子だけからできた結晶です。しかし、グラファイトは原子が平面的にならんだ炭素原子１個分の厚さのシート（グラフェン）が、層状になったもので、シートはとても頑丈ですが、層のところではがれやすいため、やわらかく、ダイヤモンドは、炭素原子が正四面体状に並んだ立体的構造をしていて、原子同士が強く結びついているため、非常に硬いという特徴があります。このように原子の並び方によって性質が異なる物質を「同素体」と言います。

一方で、原子や分子が規則的に並んでいない物質もあり、そのような物質を「アモルファス」と言います。アモルファスは結晶とは異なる性質になります。たとえば、ケイ素の原子が規則正しく並ぶとシリコン結晶になります。この原子をばらばらに（規則的でなく）並ぶようにするとアモルファスシリコンとなり、太陽電池などで使われます。また、窓などに使われるガラスも二酸化ケイ素がアモルファス状態になっているため透明になります。