結晶の出来る仕組み

Question

小学5年生の夏休みの自由研究で食塩の結晶を作りました。
そこで

１）結晶がなぜ出来たか？
２）結晶になる前の食塩と結晶になった食塩の違い

を教えたいのですが、ウソは教えられませんし（私の考えでは大変怪しい^^;）、小学5年生にもわかるような説明を教えてください。
よろしくお願いしますm(_ _)m

w-palace · Accepted Answer

小学５年生に説明するつもりで書いてみますが、その前に、保護者の方向けに・・・食塩の水に対する溶解度の温度変化は小さいので、ミョウバンなどのように、溶解度の温度変化を利用した再結晶というのはあまり行われないようです。したがって、飽和食塩水から水を蒸発させて、結晶を取り出すという実験を想定して書いてみます。

1)食塩は水に溶けますが、いくらでも溶けるというわけではありません。食塩を出来るだけ多く溶かして作った飽和食塩水を、浅い皿などに入れ放置すると、次第に水が蒸発します。食塩は蒸発しません。したがって、蒸発によって水が減ってくると、その、減った水に溶けていた分の食塩が溶けきれなくなって、固体として出てきます。
最初は、食塩の非常に小さい粒ができてくるのですが、あとから固体になる食塩は、何もないところよりも、先にできている小さい結晶のまわりで固体になりやすい性質があります。
その結果、固体は、その物質に固有の形（結晶型）になりながら、しだいに大きくなっていきます。

2)結晶の大きさは、結晶の作り方によって変化します。ゆっくりと時間をかけて、結晶を成長させた場合には、大きい結晶を作ることができます。本来は、大きさにかかわらず、結晶の形は同じになるはずです。しかし、浅い皿などで食塩の結晶を作った場合には、平たい形の結晶ができやすいと思います。それは、食塩水の深さや容器の形、あるいは結晶が底に沈んでいて、下方向へは結晶が成長できないことが原因だと考えられます。
結晶を糸などで吊して結晶を成長させると、立方体に近いものができるかも知れませんが、食塩ではちょっと難しいと思います。

tetujin3 · Answer

僕だったら，このように・・・
固体は結晶状態から，部分的な結晶状態，さらには結晶していない状態（非晶質：アモルファス）まで，連続的に形態をとります。
一方，結晶するというのは，教室に沢山の児童がきちんと並んでぎっしり詰まった状態になることです。個人個人のストレスは大きいかも知れませんが，教室全体で見ると，個々の運動が抑制されて全体的なエネルギーは最小の状態になります。
このように，すべての固体は，全体のエネルギーが最小になるような形態を取ります。これが固体が結晶するメカニズムです。
なお，温度を上げて固体を溶かしたり，液体に溶解させれば自由に動けるようになり，きちんとした列は作れなくなります。これが液体や気体の基本的な性質です。
なお，蛇足ながら，液体のバラバラ状態のまま固体にしたものが非晶質で，結晶化温度まで温度を上げれば，再結晶化が起こります。

結晶になる前の食塩は，水に溶けているので，他の回答者の方の回答の通り，バラバラ（イオン解離）になっています。
水が無くなれば，NaイオンとClイオンの配列が起こり，固体化（結晶化）します。
この時，ゆっくり結晶化させれば，結晶の元となる核の発生よりも結晶の成長速度を大きくすることができ，大きな結晶を得ることができます。
自然で取れる岩塩は，巨大な結晶ですが，長い年月をかけて結晶が育ったことによります。
・・・ってすべて，他の方が説明ずみですね。

mojitto · Answer

僕も小学生のとき、授業の実験で食塩の結晶を作りました。そのときは砂糖で同様のことが可能か？などの実験が付随していましたが、結晶のことについて詳しく教えてもらえませんでした。結晶について詳しく教えるのは高校化学で、実は大変高度な分野になります。

HOWの実験はヒントがあればできますが、WHYに関してはそれに応じた知識が必要になります。
原子の概念を知らない小５にうまく説明するのは非常に困難だと思います。

そこでアドバイスですが、その実験をHOWの方向に持っていってはどうですか？
つまり…
大量の結晶を作るには？大きな結晶を作るには？に重点を置いてみてはどうですか？
小さいうちは理屈ではなく好奇心で！
科学はそういうものだと僕は思います。

Hiroshi_34 · Answer

１）はわかりません。　　　　２）は、同じです。

２）について。プラスの電気をもった粒（この場合は、ナトリウムイオン、Ｎａ＋です）と、マイナスの電気をもった粒（この場合は、塩化物イオンＣｌ－です）が、互いに電気的な力で引き合って、結晶を作っています。プラスイオンの上下左右前後にはマイナスイオンが、同じようにマイナスイオンの上下左右前後にはプラスイオンがあります。
　お子さんに説明するときは、モデルをお作りになったらどうでしょうか。
モデルの説明上の限界はありますが。お子さんも結晶モデルをみれば、少しは理解の助けになるでしょう。
結晶モデルを作るのであれば、たとえば、ダイソーのような百円均一のお店で安い発泡スチロールの球（２色、直径２～３センチ位、それぞれ１５個）買ってきて、一辺が３個並ぶように、つまようじをさして球をつなげていけばできます。たとえば、やや小さめの白い球がナトリウムイオンで、やや大きめの赤い球が塩化物イオンと考え、プラスイオンの上下左右前後にマイナスイオンが来るようにし、交互に３かける３かける３＝２７個の球が立方体に含まれているようなモデルを作ります。つまようじを使うので、けがには注意してください。

liar_adan · Answer

(1)結晶は、塩のもと(ナトリウムと塩素)が固まってできます。
水の中に溶けていたナトリウムと塩素は、温度が高いうちは溶けていられますが、
温度が低くなると水の中に溶けていられなくなります。
あるいは、水の量が蒸発などで少なくなると、溶けていられなくなります。
そのため水の中から出なければなりませんが、そのとき、自分たち同士で固まるのです。

結晶がある形を取る理由は、
細かくいうとえらく難しくなるので、(私も説明できないし)
たとえ話をします。
レゴブロックを見たことがありますか？
おもちゃ屋の店先で、大きな人形とか、お城とかを
レゴブロックで作っていることがあります。
あれは、側面部分はつるつるしているけれど、
曲面や斜めの面のところはザラザラしているでしょう？

塩の原子も、レゴブロックのように、
他のとつながる場所が決まっています。
ある面はつるつるで、曲面とか、斜めの面はザラザラになります。
塩の原子がくっつくとき、ザラザラの面の方がくっつきやすいのです。
つるつるな面でもくっつかないことはないのですが、
とっかかりがなくてくっつきにくいのです。
斜めの面や曲面だけに早く原子がくっつくと、
つるつるな面だけがそのまま残ります。
それが結晶の形です。
(すごく大雑把なたとえで失礼)。

(2)化学的に違いはないはずです。
結晶の大きさが違うから、なめてみると味が微妙に違うと思います。

teisan · Answer

（１）ですが、いろいろな物質の溶液の温度が変化し，溶媒の量がへると，溶解度が変化して，溶液中にとけきれなくなった溶質は，沈殿となる。このとき，最初は液中にある微小な固体が核となって，そのまわりにとけきれなくなった物質の粒子が規則正しくならびはじめ，それがしだいに成長して，結晶となる。
と私の手持ちの参考書には書いてありますが、表現が分かりにくいですかね（＾＾；）

結晶の出来る仕組み

僕だったら，このように・・・

僕も小学生のとき、授業の実験で食塩の結晶を作りました。

１）はわかりません。

(1)結晶は、塩のもと(ナトリウムと塩素)が固まってできます。

（１）ですが、いろいろな物質の溶液の温度が変化し，溶媒の量がへると，溶解度が変化して，溶液中にとけきれなくなった溶質は，沈殿となる。

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