金属結合

金属結合では自由電子を持ちます。この自由電子は電気を通した時動き回るのか、電気を通さなくても動き回るのか？
あるサイトには、金属結合するのは金属などと書かれていましたが金属以外でも金属結合できるのか？

No.6 回答者： htms42 回答日時： 2007/10/16 12:44

＃４です。

＞金属結合するのは金属などと書かれていましたが金属以外でも金属結合できるのか？

という質問についてです。
物質と元素の混乱があります。

金属とはある性質を示す物質の事です。
教科書には金属の特徴として
金属光沢、延性・展性、電気伝導性
が示されています。金属の代表は金です。金のような性質を示す物質のグループが金属です。電気伝導性は近代になってからのものですが前の２つは古代から知られていたことです。

単体が金属としての特徴を示す元素を金属元素といいます。周期表の左側にありますが元素の数の比率で言うと全体の４／５です。（鉄や銅などの周期表の中央付近のものだけではありません。教科書に載っている周期表では色分けされていると思います。非金属元素の数は２２しかありません。）
「金属」とは金属元素の原子が集まった集団の示す性質です。原子１つでは金属の性質を示すことはできません。２つでもだめです。いくつぐらい集まったら金属としての特徴が出てくるかを調べている人もいるかもしれませんが私にはたくさんとしか言いようがありません。

「金属元素」と「金属」とは区別する必要があります。
鉄の原子がたくさんの鉄の原子と結合すれば金属の鉄になります。そのときの結合は金属結合です。電気が流れます。鉄の原子が酸素の原子と結びつけば酸化鉄になります。そのときの結合はイオン結合です。原子が直接結びつくのではなくてイオンになって結びついています。鉄が錆びれば電気が流れなくなりますから絶縁体です。栄養素としての鉄（鉄イオン）と金属としての鉄が混同されているのをよくみます。カルシウム化合物のことを単にカルシウムと呼ぶのが行われていますので金属カルシウムを食べると体にいいのかという質問があちこちに出ています。授業でＣａの実験をすると必ずそういう質問をする生徒がいます。

元の質問に戻ります。

＞金属結合するのは金属などと書かれていましたが金属以外でも金属結合できるのか

（１）金属結合をした結果、金属としての特徴を示すわけですから
この問いに対して普通に答えるとすると「できない」ということになります。文章の前半にある「など」がよくないと思います。
（２）質問での「金属」を「金属元素」の意味だと解釈すると「金属元素以外でも金属になりうるのか」という問いになります。これに対しては特殊な条件では金属状態を実現できるかもしれないということになり、金属水素の話が出てくることになります。
ここでも物質としての水素と元素としての水素を区別する必要があります。
水素原子の集合の仕方（結合の仕方）が異なる事によって異なる物質になるのです。
（１）水素原子（Ｈ）→水素分子（Ｈ２）・・・・・通常
（２）水素原子（Ｈ）→水素原子のたくさんの集まり・・・・・特殊

参考ＵＲＬの中などでは（１）の場合を「通常気体である水素」という表現をしています。違います。これだと固体の水素も液体の水素（どの治らの場合でも水素分子Ｈ２）も「通常の存在ではない」ことになります。液体の水素、固体の水素が通常は存在しない金属の水素と同等に受け取られてしまいます。通常は「分子として存在する水素」が特殊な条件で「分子を作らずに金属状態を示す」ということです。極低温（＝絶対零度付近、これも「通常」ではない状態です）でも水素は分子として存在していますから「通常」の使い方がいい加減ですね。
金属水素が発想されたというのは星の内部で起こっていることという問題意識もあったでしょうが原子構造がアルカリ金属元素と近いということもあったと思います。実用金属としては銅や鉄の方が典型でしょうが金属結合という面ではアルカリ金属のほうが金属のモデルに当てはめやすいのではないかと思います。

（３）金属結合以外の結合で金属の特徴を示すことは可能かという問いだと考えることもできそうです。
私は（２）よりもむしろ（３）ではないかと感じたのですが。
はじめに挙げた３つの性質をすべて満たすのは難しいかもしれません。
たとえば黒鉛は電気伝導性を示します。金属光沢もあります。延性、展性はありません。黒鉛の結合は共有結合です。金属結合ではありません。結合面に垂直に延びて分布しているπ電子が自由電子的な振る舞いをすると考えられます。炭素電極に力を加えると簡単に折れてしまいます。
自由電子の存在が金属光沢と電気伝導性を担っていると考えられますので普通は金属光沢があれば電気伝導性があると考えてかまいません。ギラっとした金属光沢を示す硫化鉱物が多いですが電気伝導性を示します。でもたたいたら割れます。
金属光沢は自由電子がバンドを作っているということからくるものです。金属光沢のある物質は薄片にしても光を通しません。逆に言うと薄片にして透明になるものは電気を通さないと判断できそうです。
でも化合物の半導体の中には透明なものもあります。液晶パネルの透明電極に使われている物質は電気伝導性と透明性とを合わせて持っています。

高校生としてはまず典型を、代表的なものを押さえておくのがいいと思います。物質の世界は多様ですから特殊な条件で典型から外れた性質を示す物質もたくさんあります。「プラスティックスは電気を通さない」というのが普通の認識です。「電気を流すものも、流さないものもある」という「何でもあり」の理解だと結合とは結びついてきません。「ノーベル賞をもらったということは普通にはないものを作ったからだ」と生徒には言ってきました。

No.5 回答者： Anjin-EV 回答日時： 2007/10/16 03:02

#1です。

この質問に回答をしたのは、rensuiさんの質問を見たときに自分が何気なく忘れかけていたものにハッと気がついたのが一番大きな理由です。

rensuiさんの質問は3つの核心を付かれていると思いました。
１）自由電子は電気を流さなくても動き回るのか？
これは、事実です。自由電子がどういう軌跡を通って運動しているかは分かりませんが、運動量を持っていることは間違いないことです。電子が運動量持っているは分かっていたつもりですが、運動の経路については良く分かっていないことに気がつきました。したがって動き回るのかということをどう解釈すればいいのか悩みました。
２）電気を流したときに動くのか？
自由電子の運動量が少し変化する（自由電子が移動する）とするいう解釈でいいのだと思います。量子力学ではフェルミ面の移動で説明はつくと思いますが、動き回るという質問から、”同一自由電子が長距離を動くと捉えて間違いはないのだろうか？”ということが分からなくなりました。したがって、”動き始める””移動し始める”との回答になりました。
３）金属とは？
金属は周期律表の真ん中あたりのものが金属だとなんとなく思っていて、半導体との境は考えていましたが、正確な定義までは考えていませんでした。rensuiさんの言われるように金属結合をしたときが、金属なのだという、多分当たり前のことに、改めて気がつきました。（多分というのは半金属の結合はどうなっているのか分からなくなったからです。）そして、最もシンプルな元素である水素でさえ、自由電子さえ出せば金属結合（金属）に遷移するのだということを思い出しました。

私は、大学では金属のフェルミ面をポジトロンを使って研究していました。したがって金属の自由電子についてはある程度知っているつもりだったのですが、rensuiさんの質問は、私が当たり前だと思っていたことを再考させられました。
一方で、電子が動き回るという言葉に、高校のときに教わった原子核の周りをぐるぐる電子が回っている、ボーアモデルを弊害を思い出しました。私は、いまだにこのボーアの呪縛から逃れることができません。大学で量子力学の授業で、電子は確率だと教わり、シュレジュンガーの波動方程式を解きましたが、頭の中ではどうしても電子は粒になってしまいます。最近アメリカのSAT（大学入試資格試験）の問題を見ました。ハイゼンベルグの不確定性原理のことが書かれていました。この量子力学の概念の転換を、若いうちに教わっていれば、電子というものがもう少し分かっていたのかなという気がします。

No.4 回答者： htms42 回答日時： 2007/10/15 10:55

質問者様は高校生ではないかなと考えています。

水素の金属化を出すのはあまり適当ではないように思います。
トピックスに引きずられると基礎が危うくなります。

＃１のご回答の中に示されているサイトからの引用です。

＞通常は気体の水素に超高圧をかけると金属になることが実験で確認された。

この文章はおかしいですね。金属になるということに対応するのは絶縁体です。気体に対応する状態は液体とか固体です。気体は温度、圧力を変えれば液体、固体に変化します。この場合、物質としての水素を考えています。水素原子２つの結合した分子　Ｈ２　です。分子は絶縁体です。分子は金属にはなりません。

低温で超高圧をかけて分子と分子の距離を無理やり近づけてやります。固体の水素の中での分子間距離よりももっと近くになるようにするのです。分子内の水素と分子間の水素の区別がつかなくなるぐらいに近づくともはや分子という存在がなくなってしまい、原子の集まりになってしまいます。これで初めて金属元素と対応がつきます。
金属になるためには自由電子が存在するようにしなければいけない。そのためには分子としての存在を壊さなければいけない。・・・
ということになります。
物質としての水素Ｈ２はもはや存在していないのですから「気体の水素を圧縮すると金属になる」というような連続的な変化をイメージさせる言葉使いは不適当です。金属になる前の状態は固体の水素です。その水素分子が壊れているのです。圧力を下げれば又もとの分子Ｈ２に戻るでしょう。

「水素」という言葉で「元素」を意味しているのか「物質」を意味しているのかの混乱があります。高校で化学を習い始めたときにはこれでよく混乱します。ここの説明はその混乱を助長するものです。

超高圧といってもイメージに差があります。１００気圧なのか、１万気圧なのか、１００万気圧なのか、・・・。
１００気圧ぐらいでは分子は壊れません。１万気圧でも多分壊れないでしょう。１００万気圧では？
特殊な話だということです。

同じように考えれば酸素でも窒素でも塩素でも金属になるでしょう。水素が何故テーマになったかといえば星（恒星）の内部がイメージにあったからです。

No.3 回答者： apple-man 回答日時： 2007/10/15 03:23

＞それとも水素自体は金属ではなく、初めて自由電子を水素が得たときから金属というのか？すみませんが教えてください。

　金属とは物質の状態のことを言うんです。金属状態という言葉もある。

固体、液体という物理状態と同じで、通常は人間が生活している環境下での
状態（だいたい２５℃　１気圧ぐらい）を言います。

鉄は液体か固体かと言えば、普通、固体なわけです。でも溶鉱炉で溶かせば
液体。水は普通液体ですが、氷れば固体です。

このページ↓
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E7%B4%A0

の下のほうの項目に、

＞水素の金属化

＞水素は非常に高い圧力下において金属化すると考えられている

＞液体の★金属水素を観測したと報告している

　とあります。

　水素は日常的な環境下では、金属ではないわけですが、
圧力など周囲の物理的条件が変わると、自由電子を持った
金属になると考えられているんです。


　

No.2 回答者： Anjin-EV 回答日時： 2007/10/14 16:50

>水素は自由電子を持ってるから金属といえるのか？それとも水素自体は金属ではなく、初めて自由電子を水素が得たときから金属というのか？

金属という言葉が定義されたのと、金属結合が発見された時代が違います。

金属の古典的な定義は教科書では以下のようなものです。「電気を流す」「展性・延性がある。」「光沢がある」　ウィキペディアでは以下のような定義をしています。ここに”おおよそ”と書いてあるように、定義はあいまいです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%91%E5%B1%9E

金属の量子力学的な定義は、自由電子の状態に関するものです。一般的には自由電子が存在するものを金属と呼びます。この中でも自由電子の持つエネルギーによって、半金属と呼ばれるものも存在します。（アンチモン、ビスマス）等。又、金属結合とは、この自由電子を介在して結合している状態で金属の特徴です。

ご質問にお答えしますと、水素は通常の状態では自由電子を持っていないので金属ではありません。しかしながら、超高圧状態では、自由電子状態を有するようになるので、金属の状態に遷移したということができます。どのような状況下で、金属に遷移するかについては、大変分かりにくいですが下記の論文を参照ください。
http://nels.nii.ac.jp/els/contents_disp.php?id=A …

＞イエスとは自由電子が電気が通らないときも分質を自由電子が通る時と、ノーは自由電子が電気が通らないと分質を通らないときもあるという事か？

簡単に説明すると以下のようになります。電位差がない場合（電気が通らないとき）自由電子は、金属の原子核の周りを自由に動き回っています。あっちの原子核の周りを動いたり、こっちの原子核のまわりに来たりといった具合にです。これが電位がかかると（電流が流れると）、自由電子はその方向に動き始めることになります。
又、金属の1原子の持っているすべての電子が自由電子になるわけではなく、一部の電子が自由電子になります。したがってすべての電子が動くわけではありません。

・・・・より詳しい説明
ご質問は奥が深い内容です。厳密には量子力学でないと、結合と、金属と電気伝導は説明ができません。
量子力学の世界では、電子は波（確率の波）として存在します。この波の方程式の計算から、金属中の電子はある幅を持った運動エネルギーのバンドとして解釈することができます。この運動エネルギーの上のほうにいるのが自由電子になります。自由電子は運動エネルギーが高いので自由に動き回れることになります。金属以外のものは、電子がバンドの下のほうにいるので、身動きが取れなくなります。

この分野でご興味があれば以下の本をお勧めいたします。かなり難解ですが、現時点で分かっているモデルで、最も確からしい説明が書いてあると思います。

キッテル固体物理入門　チャールズ・キッテル著　丸善
参考にAmazonのページを添付します。
http://www.amazon.co.jp/%E3%82%AD%E3%83%83%E3%83 …

No.1 回答者： Anjin-EV 回答日時： 2007/10/14 13:18

>金属結合するのは金属などと書かれていましたが金属以外でも金属結合できるのか？

YESです。
水素は金属ではありませんが、金属結合が起こります。詳しくは日経サイエンスの下記ホームページを参照してください。
http://www.nikkei-bookdirect.com/science/page/ma …

>この自由電子は電気を通した時動き回るのか、電気を通さなくても動き回るのか？

YESともいえますし、NOともいえます。
動くということを運動していると定義するならば、自由電子は運動量を持っていますから常に動いています。
電気を流したとき（電位差をかけたとき）にこの自由電子が、導線の中を移動し始めます。

この回答への補足

ご解答ありがとうございます。
で、本当に申し訳ないのですがこの質問でまた気になることがあるので回答してくれるとうれしいです。
水素の例がありましたが
＜自由電子を持つから金属と呼ぶのだと思います。＞という文がこのサイトで同じような文章を見たのですが、水素は自由電子を持ってるから金属といえるのか？それとも水素自体は金属ではなく、初めて自由電子を水素が得たときから金属というのか？すみませんが教えてください。

またイエスともノーとも言えるとのことですがすみませんちょっと分からないので、具体的に聞きます。
このイエスとは自由電子が電気が通らないときも分質を自由電子が通る時と、ノーは自由電子が電気が通らないと分質を通らないときもある
という事か？
実際自由電子は動くのですが、電気がないとその入ってる分質の中でしか動かず、電気が通ると分質から飛び出して動くという事でしょうか？
すみません日本語能力がなくて。

補足日時：2007/10/14 14:03